Ile wynosi maksymalna masa nieobracającej się gwiazdy neutronowej?
Astronomom udało się precyzyjnie ustalić, ile maksymalnie może wynosić masa nieobracającej się gwiazdy neutronowej. Górna granica ciężkości tych obiektów jest kluczowym aspektem w badaniach fizyki jądrowej i astrofizyki.
Naukowcy z Purple Mountain Observatory of the Chinese Academy of Sciences, pod kierownictwem prof. Fan Yizhonga wykazali, że maksymalna masa grawitacyjna nierotującej gwiazdy neutronowej wynosi około 2,25 masy Słońca z niepewnością wynoszącą zaledwie 0,07 masy Słońca. Badanie zostało opublikowane w Physical Review D.
Zdaniem astronomów, ostateczny los masywnej gwiazdy jest ściśle związany z jej masą. Gwiazdy o masie mniejszej niż osiem mas Słońca kończą swój cykl życia jako białe karły, wspierane przez ciśnienie degeneracji elektronów z dobrze znanym górnym limitem masy, limitem Chandrasekhara (około 1,4 masy Słońca).
W przypadku gwiazd cięższych niż osiem, ale lżejszych niż 25 mas Słońca, jak zaznaczają naukowcy, powstają gwiazdy neutronowe, które są utrzymywane głównie przez ciśnienie degeneracji neutronów. Dla nieobracających się gwiazd neutronowych istnieje również krytyczna masa grawitacyjna (MTOV) znana jako granica Oppenheimera, powyżej której gwiazda neutronowa zapada się w czarną dziurę.
Jak twierdzą badacze, ustalenie dokładnego limitu Oppenheimera jest dość trudne. Na podstawie pierwszej zasady można ustalić jedynie luźne granice. Wiele konkretnych ocen jest silnie zależnych od modelu.
Astronomowie udoskonalił wnioskowanie o krytyczną masę grawitacyjną poprzez włączenie dokładnych obserwacji z udziałem wielu przesłanek i wiarygodnych danych z zakresu fizyki jądrowej, omijając niepewności obecne we wcześniejszych modelach. Obejmuje to wykorzystanie ostatnich postępów w pomiarach masy/promienia z detektorów fal grawitacyjnych LIGO/Virgo i Neutron star Interior Composition Explorer (NICER).
W szczególności badacze uwzględnili informacje o odcięciu masy maksymalnej wywnioskowanej z rozkładu masy gwiazdy neutronowej i znacznie skalę parametrów, co doprowadziło do, ich zdaniem, bezprecedensowej precyzji we wnioskowaniu krytycznej masy grawitacyjnej. Astronomowie zastosowano trzy różne modele rekonstrukcji równania stanu (EoS – sposób na reprezentację modelu matematycznego układu dynamicznego) w celu złagodzenia potencjalnych błędów systematycznych, uzyskując niemal identyczne wyniki dla MTOV i odpowiadającego mu promienia, który wyniósł 11,9 km z niepewnością 0,6 km w trzech niezależnych podejściach do rekonstrukcji EoS.
Dokładna ocena krytycznej masy grawitacyjnej, zdaniem naukowców, niesie ze sobą następstwa zarówno dla fizyki jądrowej, jak i astrofizyki. Jak tłumaczą, wskazuje ona na umiarkowanie sztywne równanie stanu dla materii gwiazd neutronowych i wskazuje, że zwarte obiekty o masach w zakresie od około 2,5 do 3,0 mas Słońca, wykryte przez LIGO/Virgo, są z większym prawdopodobieństwem najlżejszymi czarnymi dziurami. Astronomowie zakładają, że pozostałości po fuzji układów podwójnych gwiazd neutronowych przekraczających całkowitą masę około 2,76 masy Słońca zapadłyby się w czarne dziury, podczas gdy lżejsze układy doprowadziłyby do powstania (supermasywnych) gwiazd neutronowych.
Emil Gołoś
