Coliziunea luminează alcătuirea misterioasă a stelelor neutronice

Pe diagramele astrofizicienilor cu chestii stelare, există o substanță care încă merită eticheta „aici să fie dragoni”. Acel material prost înțeles se găsește în interiorul stelelor neutronice – rămășițele prăbușite ale unor stele odinioară puternice – și este acum în curs de cartografiere, deoarece oamenii de știință caracterizează mai bine materia ciudată.

Detectarea a două stele neutronice care se ciocnesc, anunțată în octombrie (SN: 11/11/17, str. 6), a accelerat ritmul descoperirii. De la eveniment, pe care oamenii de știință l-au spionat cu unde gravitaționale și cu diferite lungimi de undă de lumină, mai multe studii au impus noi limite asupra dimensiunilor și maselor posibile pentru astfel de coji stelare și asupra cât de spongioase sau rigide sunt acestea.

„Proprietățile materiei stelelor neutronice nu sunt foarte cunoscute”, spune fizicianul Andreas Bauswein de la Institutul de Studii Teoretice din Heidelberg din Germania. O parte a problemei este că materia din interiorul unei stele neutronice este atât de densă încât o linguriță ar cântări un miliard de tone, astfel încât substanța nu poate fi reprodusă în niciun laborator de pe Pământ.

În coliziune, cele două stele neutronice s-au contopit într-un singur gigant. Este posibil ca această rămășiță să se fi prăbușit imediat într-o gaură neagră. Sau s-ar putea să fi format o stea neutronică mai mare, care se învârte, care, sprijinită de propria sa rotație rapidă, a existat câteva milisecunde – sau potențial mult mai mult – înainte de a se prăbuși. Viteza de dispariție a obiectului îi ajută pe oamenii de știință să-și dea seama dacă stelele neutronice sunt făcute dintr-un material relativ moale, care se comprimă atunci când este strâns ca o pernă, sau dacă stelele neutronice sunt rigide, rezistând la presiune. Această proprietate, cunoscută sub numele de ecuația de stare, determină raza unei stele neutronice cu o anumită masă.

Un colaps imediat pare puțin probabil, spun două echipe de cercetători. Telescoapele au observat o strălucire strălucitoare de lumină după ciocnire. Această strălucire ar putea apărea doar dacă ar exista o întârziere înainte ca steaua neutronică fuzionată să se prăbușească într-o gaură neagră, spune fizicianul David Radice de la Universitatea Princeton, deoarece atunci când rămășița se prăbușește, „tot materialul din jur cade imediat în interiorul găurii negre”. În schimb, steaua cu neutroni a rămas cel puțin câteva milisecunde, propun oamenii de știință.

Simulările indică faptul că, dacă stelele neutronice sunt moi, ele se vor prăbuși mai repede, deoarece vor fi mai mici decât stelele neutronice rigide de aceeași masă. Așadar, întârzierea dedusă le permite lui Radice și colegilor să excludă teoriile care prevăd că stelele neutronice sunt extrem de zgomotoase, raportează cercetătorii într-o lucrare publicată pe 13 noiembrie pe arXiv.org.

Folosind o logică similară, Bauswein și colegii au exclus unele dintre cele mai mici dimensiuni pe care le-ar putea avea stelele neutronice cu o anumită masă. De exemplu, o stea neutronică cu 60% mai masivă decât soarele nu poate avea o rază mai mică de 10,7 kilometri, determină ei. Aceste rezultate apar într-o lucrare publicată pe 29 noiembrie în Scrisori din jurnalul astrofizic.

Alți cercetători au stabilit o limită a masei maxime pe care o poate avea o stea neutronică. Peste o anumită înălțime, stelele neutronice nu își mai pot suporta propria greutate și se prăbușesc într-o gaură neagră. Dacă această masă maximă posibilă ar fi deosebit de mare, teoriile prevăd că nou-formata stea neutronică gigantică ar fi durat ore sau zile înainte de a se prăbuși. Dar, într-un al treilea studiu, doi fizicieni au stabilit că prăbușirea a avut loc mult mai repede decât atât, la scara milisecundelor, mai degrabă decât a orelor. O stea neutronică de lungă durată, care se învârte, și-ar disipa energia de rotație în materialul aruncat în urma coliziunii, făcând fluxul de materie strălucitoare mai energetic decât ceea ce a fost văzut, raportează fizicienii Ben Margalit și Brian Metzger de la Universitatea Columbia. Într-o lucrare publicată pe 21 noiembrie în Scrisori din jurnalul astrofizicperechea concluzionează că masa maximă posibilă este mai mică de aproximativ 2,2 ori mai mare decât cea a soarelui.

„Nu am avut multe constrângeri în acest sens înainte de această descoperire”, spune Metzger. Rezultatul exclude, de asemenea, unele dintre ecuațiile de stare mai rigide, deoarece materia mai rigidă tinde să susțină mase mai mari fără a se prăbuși.

Unele teorii prevăd că forme bizare de materie sunt create adânc în interiorul stelelor neutronice. Stelele neutronice ar putea conține o mare de quarci care plutesc liber – particule care sunt în mod normal limitate în particule mai mari, cum ar fi protonii sau neutronii. Alți fizicieni sugerează că stelele cu neutroni pot conține hiperoni, particule fabricate cu quarci mai grei, cunoscuți sub numele de quarci ciudați, care nu se găsesc în materia normală. O astfel de materie neobișnuită ar tinde să facă stelele cu neutroni mai moi, așa că stabilirea ecuației de stare cu prăbușiri suplimentare de stele neutroni ar putea rezolva în cele din urmă dacă aceste fiare exotice ale fizicii pândesc într-adevăr pe acest teritoriu neexplorat.