Három fiatal neutroncsillagot vizsgált egy kutatócsoport az XMM-Newton és a Chandra űrtávcső segítségével, amelyek korukhoz képest szokatlanul hűvösek. Ahhoz, hogy a puszta létezésüket megmagyarázzák, ki kell dobniuk a neutroncsillag-modellek 75 százalékát – így egyre közelebb jutunk az egyetlen, megfelelő modell kiválasztásához.

Művészi illusztráció egy neutroncsillagról. (ESA)

A neutroncsillagok a Világegyetem legkülönösebb égitestjei közé tartoznak. Nagy tömegű csillagok halálának tüzében kovácsolódnak: a csillag magja saját súlya alatt összeroskad, de olyan erővel, hogy a benne lévő elektronok és protonok neutronokká kényszerülnek összeolvadni. Az így létrejövő neutroncsillag olyan sűrű, hogy egyetlen kanálnyi belőle nagyobb tömeggel bír, mint a Földön élő összes ember.

A neutroncsillagok pontos szerkezetét nem ismerjük, de azt tudjuk, hogy a kérgükben elektronok és protonok, a magjukban pedig kvarkok lehetnek. Ahhoz, hogy megtudjuk, mi rejtőzik a neutroncsillagok belsejében, meg kell határoznunk a pontos állapotegyenletet, ami leírja a neutroncsillagok belsejének hőmérsékletét és nyomását. Több száz lehetőséggel számolhatunk.

A csillagászoknak most végre sikerült szűkíteni e lehetőségek sorát. Egy kutatócsoport a spanyol Űrtudományi Intézet munkatársa, Alessio Marino vezetésével 70 neutroncsillagot vizsgált meg: az XMM-Newton és a Chandra röntgenadatai alapján megállapították a neutroncsillagok hőmérsékletét. Mivel néhányat szupernóva-maradvány vesz körül, ezeknek a korát is meg tudták határozni. Ezek a korbecslések mind 800 és 8000 év közé tehetők – így csillagászati értelemben még újszülöttekről beszélünk. A kutatás eredményeiről a Nature Astronomy hasábjain számoltak be.

A 3C 58 jelű szupernóva-maradványról készült felvétel, középpontban a forró neutroncsillaggal (fehér). Ez a neutroncsillag a galaxis más helyein található társaihoz képest meglepően hűvös. Egy elektromosan töltött részecskék alkotta tórusz veszi körül, és jól látható a kilövellő plazmanyaláb is. A képet a különböző energiájú röntgensugárzások szerint színezték: a kis energiájú röntgensugárzást vörös, a közepes energiájút zöld, a nagy energiájút pedig kék szín jelöli). (Röntgen: NASA / CXC / ICE-CSIC / A. Marino et al.; Látható: SDSS; Képfeldolgozás: NASA / CXC / SAO / J. Major)

„A neutroncsillagok közül három jóval hűvösebb, mint a hasonló korú társaik.” – mondja Marino. „Ez arra utal, hogy valami furcsa dolog történhet a belsejükben, amit meg kell értenünk.” A kérdéses három neutroncsillag különösen nagy tömegű, ami azt jelenti, hogy több részecskét tartalmaznak, több részecske esetén pedig nagyobb eséllyel mennek végbe bennük szokatlan folyamatok – köztük olyanok, amelyek gyors lehűléshez vezetnek.

A kutatók gépi tanulási módszerrel vizsgálták át a lehetséges állapotegyenleteket, hogy kiderüljön, melyek teszik lehetővé a gyors lehűlést. Ezzel a módszerrel a modellek háromnegyedét kiszűrték. „Ha képesek vagyunk kizárni néhány lehetőséget a neutroncsillag belsejével kapcsolatban, akkor a következő kérdés már csak az, hogy mi marad.” – mondta a kutatócsoport tagja, Konstantinos Kovlakas (Institute of Space Sciences, Spanyolország). 

Az egyik lehetőség, hogy a neutroncsillag magjában végbemenő radioaktív bomlás neutrínókat termel, és a folyamat segít elvezetni a hőt. A másik, hogy a csillagok olyan nagy tömegűek, hogy a központban lévő neutronjaik egy része kvarkokra esett szét – akár egyedi kvarkokra, akár kvarkokból álló mezonokra.

„Nem tudjuk biztosan, mi van a neutroncsillagok belsejében, de ezek a legújabb adatok arra utalnak, hogy valami különleges dologról van szó.” – mondja a kutatócsoport tagja, Nanda Rea (Institute of Space Sciences).

A kutatók szerint a neutroncsillagok réteges felépítésűek. A fenti ábra a rétegek egyszerűsített elhelyezkedését mutatja be, fentről lefelé: légkör (hidrogén, hélium, szén); külső kéreg (ionok, elektronok); belső kéreg (ionok, szuperfolyékony neutronok); külső mag (szupravezető protonok); belső mag (ismeretlen). A belső mag anyagának halmazállapotát nem ismerjük. (NASA’s Goddard Space Flight Center / Conceptual Image Lab)

„Már 20 éve tudjuk, hogy ez a három neutroncsillag fiatal és hűvös, de ez a tanulmány az első, amely nagy számú neutroncsillag-elméletet vizsgál át szisztematikusan, és válogatja ki a nem megfelelőket.” – mondja Craig Heinke (University of Alberta, Kanada), aki nem vett részt a kutatásban.

Egy nap jobb műszereink lesznek, amelyekkel megoldhatjuk a rejtélyt. „Az Európai Űrügynökség NewAthena űrtávcsöve sokkal érzékenyebb lesz, mint az XMM-Newton, de azt majd csak 2037-ben fogják felbocsátani.” – mondja Heinke.

A Chandrát azonban nehezebb helyettesíteni. „A Chandra egyedülállóan éles felvételei nélkül ezt az eredményt nem lehetett volna elérni.” – teszi hozzá. Miután a NASA nemrég lecsökkentette a Chandra költségvetését, a küldetésnek lehet, hogy korán vége szakad. „Remélem, sikerül megoldani a Chandra finanszírozását, hogy az űrtávcső egy újabb évtizeden át szállíthassa a neutroncsillagokkal kapcsolatos felfedezéseket.” – mondja Heinke.

Forrás: Sky & Telescope