Jak wygląda wnętrze gwiazd neutronowych

Astronomowie zidentyfikowali nowy sposób badania tego jak może wyglądać wnętrze gwiazd neutronowych za pomocą fal grawitacyjnych pochodzących z ich zderzeń.

Naukowcy z Goethe University we Frankfurcie, pod kierownictwem Luciano Rezzolli, analizując fazę „długiego dzwonienia” („long ringdown”) – czystego sygnału dźwiękowego emitowanego przez pozostałość po fuzji – odkryli połączenie między właściwościami sygnału a równaniem stanu materii gwiazdy neutronowej. Badanie zostało opublikowane w czasopiśmie Nature Communications.

Gwiazdy neutronowe, o masie większej niż cały Układ Słoneczny, w kształcie niemal idealnej kuli o średnicy zaledwie kilku kilometrów, są jednymi z najbardziej fascynujących obiektów astrofizycznych znanych ludzkości. Jednak ekstremalne warunki panujące w ich wnętrzach sprawiają, że ich skład i struktura są zagadką dla badaczy.

Jak twierdzą naukowcy, zderzenie dwóch gwiazd neutronowych, takie jak to zaobserwowane w 2017 roku, stanowi wyjątkową okazję do rozwikłania tej tajemnicy. Kiedy dwie gwiazdy neutronowe okrążając się przez miliony lat, emitują fale grawitacyjne, ale najbardziej intensywna emisja występuje w momencie ich połączenia i tylko milisekundy po nim.

Pozostałość po fuzji – masywny, szybko obracający się obiekt powstały w wyniku zderzenia – emituje fale grawitacyjne w silnym, ale wąskim zakresie częstotliwości. Sygnał ten zawiera kluczowe informacje na temat tak zwanego „równania stanu” („equation of state”) materii jądrowej, które opisuje zachowanie materii przy ekstremalnych gęstościach i ciśnieniach.

Astronomowie w ramach nowego badania odkryli, że chociaż amplituda sygnału fal grawitacyjnych po fuzji maleje z czasem, staje się on coraz bardziej „czysty” – dąży do jednej częstotliwości, podobnie jak gigantyczny kamerton rezonujący po uderzeniu.

Badacze nazwali tę fazę „długim dzwonieniem” i odkryli związek między jej unikalnymi cechami a właściwościami najgęstszych obszarów w rdzeniach gwiazd neutronowych.

„Obiekty powstałe po fuzji tych niezwykle gęstych obiektów, opisane różnymi równaniami stanu będą dzwonić z różnymi częstotliwościami. Wykrycie tego sygnału może zatem potencjalnie ujawnić, z czego zbudowane jest wnętrze gwiazd neutronowych” – tłumaczy Luciano Rezzolla z Goethe University.

Wykorzystując zaawansowane symulacje fuzji gwiazd neutronowych, ze starannie skonstruowanymi równaniami stanu, naukowcy wykazali, że analiza „długiego dzwonienia” może znacznie zmniejszyć niepewności w równaniu stanu przy bardzo dużych gęstościach –gdzie obecnie nie są znane żadne bezpośrednie ograniczenia.

„Dzięki postępom w modelowaniu statystycznym i wysoce precyzyjnym symulacjom na najpotężniejszych superkomputerach, odkryliśmy nową fazę długiego dzwonienia w fuzjach gwiazd neutronowych. Ma ona potencjał dostarczenia nowych i rygorystycznych ograniczeń dotyczących stanu materii w tych gęstych obiektach. Odkrycie pozwoli lepiej poznać jak wgląda wnętrze gwiazd neutronowych” – podkreśla Christian Ecker z Goethe University.

Emil Gołoś