Δεν υπάρχει εξωτική ύλη στα αστέρια νετρονίων

Κανένα άλλο γνωστό αντικείμενο στο σύμπαν δεν μπορεί να συγκριθεί με ένα αστέρι νετρονίων. Σε αυτά τα ουράνια σώματα που προέκυψαν από τις σουπερνόβες, η μάζα ενός αστεριού συμπιέζεται στη διάμετρο μιας μεγάλης πόλης. Επομένως, ακραίες φυσικές διαδικασίες λαμβάνουν χώρα γύρω από αυτές και σε αυτές. Μερικοί ειδικοί ακόμη και εικάζουν ότι οι αδιανόητες πιέσεις στο εσωτερικό θα μπορούσαν να προκαλέσουν ιδιαίτερα περίεργες μορφές ύλης. Αλλά είναι αδύνατο να εξετάσουμε τα αστέρια νετρονίων για να το μελετήσουμε άμεσα. Έτσι, οι αστρονόμοι πρέπει να βασίζονται στις ιδιότητες που μπορούν κατ ‘αρχήν να μετρήσουν, δηλαδή τη μάζα και το μέγεθος των αντικειμένων.

Αλλά είναι πολύ εύκολο να προσδιοριστεί η ακριβής διάμετρος κάτι που απέχει χιλιάδες έτη φωτός και μόνο μερικές δεκάδες χιλιόμετρα. Μια πρώτη σημαντική ανακάλυψη ήρθε το 2019 με το όργανο Interior Composition Explorer (NICER) της NASA, το οποίο είχε εγκατασταθεί στον Διεθνή Διαστημικό Σταθμό δύο χρόνια νωρίτερα. Μια ομάδα με επικεφαλής τον Coleman Miller από το Πανεπιστήμιο του Μέριλαντ χρησιμοποίησε το τηλεσκόπιο ακτίνων Χ για να προσδιορίσει τη διάμετρο ενός αστέρα νετρονίων με το όνομα J0030, που απέχει 1000 έτη φωτός από τη Γη και έχει 1,4 ηλιακές μάζες. Έχει ύψος περίπου 16 μίλια. Με βάση πρόσθετα δεδομένα NICER, δύο ομάδες εργασίας, μία εκ των οποίων με επικεφαλής τον Coleman Miller, πραγματοποίησαν τώρα ανεξάρτητα μια αντίστοιχη ανάλυση για ένα άλλο αστέρι νετρονίων – με εκπληκτικά αποτελέσματα.

Το αντικείμενο, γνωστό ως J0740, απέχει 3000 έτη φωτός από τη Γη. Με 2.1 ηλιακές μάζες, το J0740 είναι ένα από τα βαρύτερα γνωστά αστέρια νετρονίων. Αν και έχει 50% μεγαλύτερη μάζα από το J0030, και τα δύο φαίνεται να έχουν περίπου το ίδιο μέγεθος: Οι αναλύσεις παρείχαν διάμετρο 24,8 και 27,4 χιλιόμετρα για το J0740, αντίστοιχα. Εκκρεμεί η συνήθης ανεξάρτητη αξιολόγηση των αποτελεσμάτων. Και οι δύο δημοσιεύσεις πραγματοποιήθηκαν τον Μάιο του 2021 εκ των προτέρων στον διακομιστή προτύπων arxiv.org.

Τα αστέρια νετρονίων σχηματίζονται όταν ένα αστέρι με περίπου 8 έως 20 φορές τη μάζα του ήλιου μας καταναλώνει καύσιμα στο τέλος της ζωής του. Χωρίς αυτό, δεν μπορεί πλέον να αντέξει την πίεση της βαρύτητας και καταρρέει. Οι εκρήξεις σουπερνόβα ρίχνουν το κέλυφος του στο διάστημα. Απομένει μόνο ένα πολύ πυκνό υπόλειμμα.

Ένα αστέρι νετρονίων έχει μια λεπτή κρούστα ιόντων και ηλεκτρονίων. Στα παρακάτω στρώματα, τα πρωτόνια και τα ηλεκτρόνια πιέζονται κυριολεκτικά το ένα στο άλλο, το οποίο δημιουργεί νετρόνια που αποτελούν έως και το 99 τοις εκατό της σύνθεσής του. Η πυκνότητα συνεχίζει να αυξάνεται προς το κέντρο, και τότε μπορεί να συμβούν ακόμη και ξένα πράγματα. “Κάτω από τα μεμονωμένα νετρόνια και πρωτόνια θα μπορούσε να υπάρχει μια θάλασσα από τα συστατικά μέρη τους, τα κουάρκ”, εξηγεί ο Coleman Miller. “Δεν είναι σαφές πού θα ήταν μια τέτοια μετάβαση.”

Τα αστέρια νετρονίων δεν έχουν μετάβαση φάσης

Μέχρι στιγμής, ορισμένα μοντέλα έχουν προβλέψει ότι αρκετά τεράστια αστέρια νετρονίων – ίσως ήδη το J0740 με τις 2.1 ηλιακές μάζες του – θα σπάσουν τα νετρόνια και τα πρωτόνια στα συστατικά τους λόγω της τεράστιας πυκνότητάς τους. Και αυτό το υλικό κουάρκ μπορεί να συμπιεστεί σχετικά καλά. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο η μετάβαση από σχετικά φυσική, ατομική ουσία που μοιάζει με πυρήνα θα πρέπει να «συρρικνωθεί η ακτίνα», λέει η Anna Watts από το Πανεπιστήμιο του Άμστερνταμ, συν-συγγραφέας της άλλης έκδοσης.

Τα νέα ευρήματα μιλούν τώρα ενάντια στην υπόθεση. Όσο παράξενα είναι τα αντικείμενα – προφανώς δεν συμπεριφέρονται τόσο παράξενα. «Φαίνεται ότι αυτές οι πολύ εξωτικές καταστάσεις της ύλης δεν υπάρχουν στον πυρήνα ενός άστρου νετρονίων», σχολιάζει ο θεωρητικός φυσικός Jorge Piekarewicz από το Florida State University. Στη συνέχεια, η φάση μετάβασης σε ύλη κουάρκ – αν υπάρχει καθόλου – θα πραγματοποιηθεί λίγο πριν το κρίσιμο όριο από το οποίο ένα αστέρι νετρονίων καταρρέει αναπόφευκτα σε μια μαύρη τρύπα. Η ακριβής τιμή για αυτό δεν είναι γνωστή, πιστεύεται ότι είναι περίπου τρεις ηλιακές μάζες. «Το ερώτημα», λέει ο Watts, «αν υπάρχει μια περίεργη ουσία σε υψηλή πυκνότητα, πότε ακριβώς σχηματίζεται;

Εάν το J0740 είχε περάσει από αυτήν τη φάση μετάβασης και περιείχε πιο εύκολα συμπιέσιμη ύλη κουάρκ, σύμφωνα με τον Watts, θα πρέπει να έχει μέγεθος μεγαλύτερο από εννέα έως δέκα μίλια. Αλλά ακόμα κι αν λάβετε υπόψη τις αβεβαιότητες της μέτρησης, σύμφωνα με τον Miller, η διάμετρος των 22 χιλιομέτρων θα ήταν ένα αρκετά σαφές κατώτερο όριο.

Αυτό σημαίνει ότι εάν τα αστέρια νετρονίων παράγουν καθόλου ύλη κουάρκ, τότε μόνο σε κάποιο σημείο πέρα ​​από 2,1 ηλιακές μάζες. Τα πρωτόνια και τα νετρόνια θα μπορούσαν εξίσου εύκολα να διατηρηθούν ακόμη και στις πιο ακραίες κλίμακες. “Σε κάθε περίπτωση, φαίνεται ότι ορισμένα από τα μοντέλα έχουν πλέον αποκλειστεί”, σχολιάζει ο Watts.

Το γεγονός ότι οι μετρήσεις του μεγέθους των αστεριών νετρονίων είναι βασικά δυνατές οφείλεται σε μια ιδιαιτερότητα των ουράνιων σωμάτων. Περιστρέφονται γρήγορα και μαζί τους περιστρέφονται σημεία στην επιφάνειά τους, από τα οποία προέρχονται ισχυρά μαγνητικά πεδία και τα οποία στέλνουν ακτίνες Χ στο διάστημα. Λόγω της τεράστιας βαρυτικής επίδρασης των συμπαγών αντικειμένων, ακόμη και η ακτινοβολία που προκύπτει στην άλλη πλευρά του αστεριού νετρονίων κάμπτεται από τη βαρύτητα και κατευθύνεται προς την κατεύθυνση μας. Με το NICER οι χρόνοι άφιξης των ακτίνων X μπορούν να καταγραφούν με υψηλή ακρίβεια. Αυτό επιτρέπει την εξαγωγή συμπερασμάτων σχετικά με τη διάμετρο.

Ένα άλλο τρέχον αποτέλεσμα μέτρησης συνδυάζεται με τις συζητήσεις σχετικά με το μέγεθος των αστεριών νετρονίων , αυτή τη φορά ένα επίγειο. Η ομάδα Lead Radius Experiment (PREx) στο Jefferson Lab στη Βιρτζίνια πυροδότησε μια δέσμη ηλεκτρονίων στο προβάδισμα. Εξετάστηκε το λεγόμενο δέρμα νετρονίων, το οποίο προεξέχει ως ένα λεπτό, ουδέτερο στρώμα πάνω από τον θετικά φορτισμένο πυρήνα με πλούσια πρωτόνια βαρέων ατόμων.

Προφανώς το δέρμα νετρονίων καταλαμβάνει λίγο περισσότερο χώρο από το αναμενόμενο, έτσι τα νετρόνια δεν συσσωρεύονται τόσο κοντά όσο αναμενόταν. Η διαφορά στις προηγούμενες θεωρητικές παραδοχές είναι μικρή, αλλά παρεκτείνεται στις διαστάσεις ενός αστεριού νετρονίων, τα κοσμικά αντικείμενα πρέπει να είναι έως και δύο χιλιόμετρα μεγαλύτερα από ό, τι είχε προβλεφθεί προηγουμένως. Ο Jorge Piekarewicz, ο οποίος είναι μέλος της ομάδας PREx, θεωρεί ότι τα αποτελέσματα είναι “απόλυτα συνεπή με την NICER”.

Τα αποτελέσματα που αποκτήθηκαν με το NICER βρίσκονται ακόμη σε αρχικό στάδιο αξιολόγησης. Εκκρεμείς μετρήσεις της ακτίνας ενός τρίτου άστρου νετρονίων θα μπορούσαν να διαδραματίσουν σημαντικό ρόλο στην επιβεβαίωση ή την απόρριψη του. Εάν η νέα ερμηνεία αποδειχθεί αληθινή, ακόμη και τα αστέρια νετρονίων – οι πυκνότερες συσσωματώσεις στο σύμπαν μετά τις μαύρες τρύπες – δεν θα ήταν αρκετά εξαιρετικές για να παράγουν κάποιες υποθετικές μορφές εξωτικής ύλης.