Neutronové hvězdy mohou být větší, než se očekávalo, jak naznačují měření jádra olova

Řekněte, co chcete olovu, má překvapivě silnou kůru – tedy neutrony. Ve skutečnosti je vrstva neutronů na vnější straně jádra olova dvakrát silnější, než si fyzici myslí, podle nové studie. Zdánlivě záhadný výsledek by mohl mít důsledky z tohoto světa: Neutronové hvězdy, superhustá pole, která tu zůstala, když hvězdy explodovaly při výbuchu supernovy, mohou být mnohem tužší a větší, než teorie obecně předpovídá.

„Je to úžasný experimentální úspěch,“ říká Anna Watts, astrofyzička z Amsterdamské univerzity, která studuje neutronové hvězdy. „Mluví se o tom už roky a roky a roky, a je tak skvělé to konečně vidět.“

Jádro atomu je tvořeno protony a neutrony, které drží pohromadě takzvaná silná jaderná síla. Obecně existuje více neutronů než protonů. Ale ne moc, protože velká nerovnováha v počtu protonů a neutronů zvyšuje vnitřní energii jádra a může ji učinit nestabilní. Teorie obecně předpovídá, že velké jádro se skládá ze zhruba stejné směsi protonů a neutronů obklopené kůží čistých neutronů.

Je to tloušťka této kůže, kterou jaderní fyzici změřili pomocí experimentu s olovem (Pb) Radius (PREX) v Národním zrychlovacím zařízení Thomase Jeffersona. K tomu nosili hojné elektrony z olova 208 jader, nejběžnějšího izotopu prvku, který má 82 protonů a 126 neutronů. Negativně nabité elektrony interagují s pozitivně nabitými protony hlavně prostřednictvím elektromagnetické síly, která elektrony vychyluje. Prostřednictvím tohoto elektromagnetického rozptylu jiní fyzici dříve měřili distribuci protonů v olověném jádru 208 a zjistili, že se rozprostírá do poloměru 5,50 Fermi – Fermi, což je jedna ku miliontině 1 nanometru.

Při zkoumání neutronů fyzici PREX využili skutečnosti, že elektrony mohou interagovat s protony i neutrony prostřednictvím slabé jaderné síly. Slabá ve srovnání s elektromagnetickou silou, její síla závisí na tom, zda se příchozí elektron otáčí doprava – jako fotbalový míč hozený pravým záložníkem – nebo doleva. Tato kapitulace umožnila vědcům PREX objevit účinek slabé síly.

Vědci vystřelili paprsek elektronů, téměř všechny se točili stejným způsobem, na jádra olova a měřili pravděpodobnost, že budou vychýleni o určitý úhel. Potom převrátili elektrony tak, aby se zkroutili v opačném směru a hledali rozdíl jednoho z milionu v proudu vychýlených elektronů. Tato drobná anomálie může naznačovat účinek slabé síly a její velikost odhalí prostorovou difúzi neutronů. Fyzici převrátili rotaci elektronů 240krát za sekundu, přičemž dávali velký pozor, aby nezměnili energii, intenzitu nebo dráhu paprsku.

Pozorovaná asymetrie naznačuje, že jádro olova obsahuje neutronovou kůži o tloušťce 0,28 Fermi, což dává nebo bere 0,07, uvádějí vědci PREX dnes na Dopisy o fyzické kontrole. Toto měření jde dobře Předchozí měření nahlášené týmem PREX V roce 2012 však nová data snižují nejistotu na polovinu. Přesnější objevy ukazují, že neutronová kůže olova-208 je dvakrát tak silná, jak teoretici očekávali, a naznačily i další méně přímé experimenty. „To přinutilo každého, aby začal zkoumat své předpoklady, a to je sen experimentovat,“ říká Krishna Kumar, fyzik z University of Massachusetts, Amherst a spolupracovník mluvčího týmu PREX.

Některé z těchto předpokladů nakonec zahrnují povahu neutronových hvězd. I když je atomové jádro několikrát méně husté než neutronová hvězda, z prvního lze odvodit závěry o novějších, vysvětluje Jorge Piekarewicz, teoretik jaderných věd na Florida State University. Zejména tlustá neutronová kůže naznačuje, že neutronové hvězdy jsou méně stlačitelné, než předpovídá mnoho teorií, čímž se zvětšují. Ve skutečnosti v jiném dnes publikovaném článku Dopisy o fyzické kontrolePiekarewicz a jeho kolegové zjistili, že výsledek PREX naznačuje, že poloměr mezi neutronovou hvězdou mezi 13,25 a 14,25 kilometry je 1,4krát větší než hmotnost Slunce. Většina teorií produkuje odhady blíže k 10 kilometrům.

Velikost jumbo je přijatelná pro Cole Millera, astronoma z University of Maryland v College Parku, který pracuje s rentgenovým dalekohledem NASA Neutron Star Interstructure Explorer (NICER) na Mezinárodní vesmírné stanici. Vědci NICER používají spektrum záření z rotující neutronové hvězdy k odvození její velikosti a dokonce k mapování nepravidelností na jejím povrchu. Přístroj měřil záření dvou neutronových hvězd o hmotnosti 1,4 a 2,1krát větší než hmotnost Slunce a zjistil, že obě mají poloměr asi 13 kilometrů.

Miller však zdůrazňuje, že data z detektorů gravitačních vln mohou upřednostňovat menší, měkčí neutronové hvězdy. V roce 2017 to fyzici pozorovali pomocí observatoře Laser Interferometer (LIGO) ve Spojených státech a detektoru Panny v Itálii. Dvě neutronové hvězdy obíhající kolem sebe A sloučení, s největší pravděpodobností vytvoří černou díru. Pokud byly neutronové hvězdy relativně velké a pevné, pak by se před sloučením měly navzájem narušovat svou vlastní gravitací, říká Miller. Vědci LIGO a Virgo však neviděli žádné důkazy o takovém přílivovém zkreslení jejich signálů, říká.

Witold Nazarewicz, jaderný teoretik na Michiganské státní univerzitě, však říká, že je příliš brzy na to, aby se obával astrofyzikálních důsledků výsledků PREX. Poznamenal, že tým měří pouze asymetrii rozptylu elektronů a teorie, které vědci používají k jeho převodu na tloušťku neutronové kůže, mají své vlastní pochybnosti. Nazarevič říká, že hodnota týmu pro asymetrii může být ve skutečnosti v rozporu s měřením jiných vlastností jádra olova. „Chtěl bych vědět, jestli vše odpovídá olovu 208.“

Překvapivý výsledek PREXu však pravděpodobně pobídne jaderné fyziky a astrofyziky k tomu, aby znovu prozkoumali teoretické vazby mezi atomovými jádry a neutronovými hvězdami, říká Piekarewicz. „Pro komunitu je to psychologický šok.“