XMM-Newton i Chandra wykryły trzy nowe gwiazdy neutronowe

Należąca do ESA sonda XMM-Newton i należąca do NASA sonda Chandra wykryły trzy młode gwiazdy neutronowe, które są niezwykle zimne jak na swój wiek.

Porównując ich właściwości z różnymi modelami gwiazd neutronowych, naukowcy z ESA doszli do wniosku, że niskie temperatury tych nowych obiektów dyskwalifikują około 75 proc. znanych modeli. Jest to zdaniem badaczy, duży krok w kierunku odkrycia jednego „równania stanu” gwiazdy neutronowej, które rządzi nimi wszystkimi, z co może wpływać na opis podstawowych praw wszechświata. Badanie zostało opublikowane w czasopiśmie Nature Astronomy.

Jak podkreślają astronomowie, po czarnych dziurach o masie gwiezdnej, gwiazdy neutronowe są najgęstszymi obiektami we Wszechświecie. Każda z nich jest ściśniętym jądrem gigantycznej gwiazdy, pozostałym po jej eksplozji w supernowej. Po wyczerpaniu się paliwa, rdzeń imploduje pod wpływem siły grawitacji, podczas gdy jego zewnętrzne warstwy zostają wyrzucone w przestrzeń kosmiczną.

Materia w centrum gwiazdy neutronowej jest ściskana tak mocno, że naukowcy wciąż nie wiedzą, jaką formę przybiera. Obiekty tego typu zawdzięczają swoją nazwę temu, że pod tak ogromnym ciśnieniem zapadają się nawet atomy – elektrony łączą się z rdzeniami atomowymi, zamieniając protony w neutrony. Ekstremalne ciepło i ciśnienie mogą również ustabilizować bardziej egzotyczne cząstki, które nie przetrwają nigdzie indziej, lub prawdopodobnie stopić je razem w wirującą zupę ich składowych kwarków.

To, co dzieje się wewnątrz gwiazdy neutronowej, jak wskazują astronomowie, opisywane jest przez tak zwane „równanie stanu”, czyli teoretyczny model opisujący procesy fizyczne, które mogą zachodzić wewnątrz tak gęstych obiektów. Problem polega na tym, że naukowcy nie wiedzą jeszcze, który z setek możliwych modeli jest poprawny. Podczas gdy zachowanie poszczególnych gwiazd neutronowych może zależeć od ich właściwości, takich jak masa lub prędkość wirowania, wszystkie z nich muszą być zgodne z tym samym równaniem stanu.

Analizując dane z misji ESA XMM-Newton i NASA Chandra, badacze z ESA odkryli trzy wyjątkowo młode i zimne gwiazdy neutronowe, które są 10-100 razy chłodniejsze niż podobne obiekty w tym samym wieku. Porównując ich właściwości z szybkościami chłodzenia przewidywanymi przez różne modele, astronomowie doszli do wniosku, że istnienie tych trzech wyklucza większość proponowanych równań stanu.

„Młody wiek i niską temperaturę powierzchni tych trzech gwiazd neutronowych można wyjaśnić jedynie poprzez odwołanie się do mechanizmu szybkiego chłodzenia. Ponieważ wzmocnione chłodzenie może być aktywowane tylko przez niektóre równania stanu, pozwala nam to wykluczyć znaczną część możliwych modeli” – wyjaśnia Nanda Rea z Institute of Space Sciences (ICE-CSIC).

Odkrycie prawdziwego równania stanu gwiazdy neutronowej może również płynąć na rozumienie przez naukowców podstawowych praw Wszechświata. Fizycy nie wiedzą jeszcze, jak połączyć ogólną teorię względności (która opisuje efekty grawitacji w dużych skalach) z mechaniką kwantową (która opisuje to, co dzieje się na poziomie cząstek). Gwiazdy neutronowe mogą pomóc w odkrywaniu tajemnic kosmosu, ponieważ mają gęstość i grawitację znacznie przekraczającą wszystko, co jest możliwe do stworzenia na Ziemi.

„Trzy dziwne gwiazdy neutronowe są tak zimne, że są zbyt słabe dla większości obserwatoriów rentgenowskich. Doskonała czułość XMM-Newton i Chandra umożliwiła nie tylko ich wykrycie, ale także zebranie wystarczającej ilości światła, aby określić ich temperaturę i inne właściwości” – mówi Camille Diez z ESA.

Astronomowie byli w stanie wywnioskować temperaturę gwiazd neutronowych z promieniowania rentgenowskiego wysyłanego z ich powierzchni, podczas gdy rozmiary i prędkości otaczających pozostałości supernowych dały dokładne wskazanie ich wieku.

Kolejno naukowcy obliczyli „krzywe chłodzenia” gwiazd neutronowych dla równań stanu uwzględniających różne mechanizmy chłodzenia. Zdaniem badaczy wiązało się to z wykreśleniem tego, co każdy model przewiduje dla tego, jak jasność gwiazdy neutronowej – cecha bezpośrednio związana z jej temperaturą – zmienia się w czasie.

Jak tłumaczą badacze, kształt tych krzywych zależy od kilku różnych właściwości gwiazdy neutronowej, z których nie wszystkie można dokładnie określić na podstawie obserwacji. Z tego powodu astronomowie obliczyli krzywe chłodzenia dla szeregu możliwych mas tego typu obiektów i natężenia pola magnetycznego.

Analiza statystyczna pozwoliła na zebranie wszystkiego razem, aby naukowcy wykorzystali uczenie maszynowe do określenia, jak dobrze symulowane krzywe chłodzenia są zgodne z właściwościami nowych obiektów. Wykazano, że równania stanu bez mechanizmu szybkiego chłodzenia mają zerowe szanse na dopasowanie do danych.

„Badania nad gwiazdami neutronowymi obejmują wiele dyscyplin naukowych, od fizyki cząstek elementarnych po fale grawitacyjne. Sukces tej pracy pokazuje, jak ważna jest praca interdyscyplinarna dla lepszego zrozumienia Wszechświata” – podsumowuje Nanda Rea.

Emil Gołoś