A csillagászok módot találtak arra, hogy bepillantást nyerjünk a neutroncsillagok belsejébe, és megtudjuk, milyen egzotikus anyag rejtőzik a magjukban. Devarshi Choudhury (University of Amsterdam) és munkatársai a legközelebbi és legfényesebb neutroncsillag adatai segítségével vizsgálták meg e különleges égitestek belsejében lévő sűrű anyaggal kapcsolatos elméleteket.

A neutroncsillagok összeomlott csillagok maradványai, amelyek az első csatát már elvesztették a gravitáció ellen. A csillag összeomlását követően a mag protonjai neutronokká alakulnak át, és csupán a Pauli-elv képes megakadályozni, hogy ezek a neutronok túlzottan összebarátkozzanak. Az így kialakuló nyomás nem engedi, hogy még erősebb gravitációjú anyag jöjjön létre.

A neutroncsillagok működésének ez a része ismert a fizikusok előtt. Furcsa dolgok történhetnek azonban az égitest magjában, ahol a nyomás képes elképzelhetetlenül nagyra nőni. A magban uralkodó körülmények megértésében segít bennünket az úgynevezett állapotegyenlet, amely ezt a sűrű anyagot írja le. Ha az állapotegyenlet szerint ez az anyag „merev”, akkor a neutroncsillag tömegének, így belső nyomásának növekedése nem okozna jelentős belső változást, csupán az égitest mérete változna: a tömeg növelésével a neutroncsillag megnőne.

Egyszerűsített illusztráció egy neutroncsillag szerkezetéről. A mag összetétele ismeretlen. Ez az a hely, ahol az anyag rendkívüli nyomásnak van kitéve. Az összetétellel kapcsolatban számos lehetőség felmerül: talán szuperfolyékony neutronok, szupravezető protonok, hiperonok, kvark-gluon plazma vagy esetleg „színes” szupravezetők alkotják? (A. Watts et al. 2016)

Ha azonban az állapotegyenlet szerint a neutroncsillag magja „puha”, akkor a tömeg- és nyomásnövekedés valamilyen módon megváltoztatná a legsűrűbb anyagot benne. Talán a neutronokból kvarkokat préselne ki, vagy még különösebb részecskéket, úgynevezett hiperonokat hozna létre. Attól függően, hogy az anyag miként reagál a nyomásváltozásra, a neutroncsillag mérete a tömeg növekedésekor változatlan is maradhat, de az égitest akár össze is zsugorodhat.

Persze mi magunk nem adhatunk hozzá anyagot egy neutroncsillaghoz – még egy társcsillagnak is sok időbe telik, hogy jelentős mennyiségű anyagot ruházzon át rá. A kutatók ezért több, gyorsan forgó neutroncsillag, úgynevezett pulzár tömegét és sugarát vizsgálták meg a Nemzetközi Űrállomás fedélzetén működő NICER röntgentávcsővel.

A NICER gyorsan forgó, így erőteljes mágneses teret generáló pulzárok röntgensugárzását vizsgálja. A pulzárok mágneses pólusa közelében lévő rendkívül forró régiók periodikusan pásztázzák az eget, mint egy kozmikus világítótorony. A fényimpulzusok közötti időtartam mérésével sok mindent megtudhatunk az azokat kibocsátó objektumokról.

A NICER megfigyelte a listáján lévő legközelebbi pulzárt, a PSR J0437–4715-öt, ami 510 fényévre van tőlünk. 174-szer villan fel másodpercenként, vagyis gyorsabb, mint egy turmixgép pengéje, ráadásul fényes, így alkalmas a pontos mérésekre. A kutatók korábbi rádióadatok és az új mérések alapján megállapították, hogy a pulzár nagyjából 1,4 naptömegű. A sugara 10,7 és 12,3 kilométer között lehet.

Animáció a PSR J0437-4715 jelű milliszekundumos pulzárról. A NICER megfigyelései alapján készült animáción láthatók a neutroncsillag felszínén lévő forró foltok, amelyek a röntgenimpulzusokat keltik. Ezek nem feltétlenül egybefüggő foltok, van köztük egy gyűrű is a pólus körül. A forró foltok elhelyezkedése és alakja arra utal, hogy a neutroncsillag mágneses tere nem egyszerű dipólus.

A pulzár vizsgálatával a kutatók több extrém lehetőséget is kizárhattak a neutroncsillagok belső összetételével kapcsolatban. „Az új eredmények a puhább állapotegyenlet felé mutatnak.” – mondja a kutatócsoport tagja, Anna Watts (University of Amsterdam). „A teljesen puha azonban valószínűtlen, ahogy a teljesen kemény is. Az eredmények egybecsengenek azokkal a 2017-es gravitációshullám-adatokkal, amelyeket két neutroncsillag összeütközésekor kaptak.

A NICER által megfigyelt három pulzár tömeg- és sugáradatai. A mérések hibahatára nagy, ezért az adatokat oválisokkal ábrázolták, ahol a sötétebb terület a valószínűbb értékeket fedi le. A J0030 jelű pulzárnak két lehetséges tömeg–sugár értéke is van. A további adatokon alapuló előzetes értékeket az ábra szaggatott vonallal jelzi. Néhány reprezentatív állapotegyenlet is látható, amelyek kobra alakú vonalak formájában jelennek meg az ábrán. A legújabb, J0437 pulzártól származó adatok (piros) egyértelműen kizárják mind a legpuhább, mind a legkeményebb állapotokat, és inkább a puhább állapot felé tendálnak. (A. Watts)
 

Mennyire lehet egzotikus egy neutroncsillag? Több neutroncsillag tömeg- és sugáradatai arra utalnak, hogy a magokban nem dominálhatnak az egyszerű neutronok, amelyeket a kemény mag állapotegyenlete írna le.  Néhány olyan lehetőséget azonban megengednek, amelyekben a megnövekedett nyomás kvarkokat présel ki a neutronokból. Ahogy a fenti ábra mutatja, még számos forgatókönyv van játékban.

Korábban beszámoltunk egy tanulmányról, amelyben a kutatók jelentősen leszűkítették a neutroncsillagok lehetséges állapotegyenleteinek körét. Nathan Rutherford (University of New Hampshire) szerint nem könnyű kombinálni a korábbi, három neutroncsillag hőmérséklet- és mágneses tér mérésein alapuló eredményeket az újakkal, amelyek tömeg- és sugárméréseken alapulnak. Watts szerint bár a hűvös neutroncsillagokról szóló tanulmány kevesebb lehetőséget vizsgál, ki lehetne terjeszteni. Nagy mozgástérre van szükségünk, ha ezekről az egzotikus, kompakt égitestekről beszélünk.

A kutatás eredményeiről szóló tanulmány az Astrophysical Journal Letters című lapban jelent meg.

Forrás: Sky & Telescope