Ciocnirile stelelor neutronice ar putea prinde pentru scurt timp o grămadă de fantome cosmice

Neutrinii sunt considerați a fi „fantomele” grădinii zoologice cu particule din cauza lipsei de încărcare și a masei incredibil de mici. Aceste caracteristici înseamnă că foarte rar interacționează cu materia. Pentru a pune asta în perspectivă, în timp ce citiți această propoziție, peste 100 de trilioane de neutrini trec prin corpul vostru cu viteza aproape de lumină și nu puteți simți nimic.

Aceste noi simulări ale fuziunilor stelelor neutronice au fost efectuate de fizicienii de la Universitatea Penn State și, în cele din urmă, au arătat că punctul în care aceste stele moarte se întâlnesc (interfața) devine incredibil de fierbinte și dens. De fapt, devine suficient de extrem pentru a capta o grămadă de acele „fantome cosmice”.

Cel puțin pentru puțin timp, oricum.

În ciuda lipsei lor de interacțiune cu materia, neutrini creați în coliziune ar rămâne prinși în acea interfață neutron-stele-fuziune și ar deveni mult mai fierbinți decât inimile relativ reci ale stelelor moarte care se ciocnesc.

Legate de: Undele gravitaționale dezvăluie prima fuziune de acest fel între steaua neutronică și obiectul mister

Acest lucru este denumit neutrinii fiind „în afara echilibrului termic” cu frigul nuclee de stele neutronice. În timpul acestei faze fierbinți, care durează aproximativ două până la trei milisecunde, simulările echipei au indicat că neutrinii pot interacționa cu materia stelelor neutronice care fuzionează, ajutând, la rândul său, la restabilirea echilibrului termic.

“Stelele cu neutroni înainte de fuziune sunt efectiv reci. Deși pot fi de miliarde de grade, Kelvin, densitatea lor incredibilă înseamnă că această căldură contribuie foarte puțin la energia sistemului”, liderul echipei David Radice, profesor asistent de fizică, astronomie. și astrofizică la Eberly College of Science din Penn State, a spus într-o declarație. „Pe măsură ce se ciocnesc, pot deveni foarte fierbinți. Interfața stelelor care se ciocnesc poate fi încălzită până la temperaturi de trilioane de grade Kelvin. Cu toate acestea, sunt atât de dense încât fotonii nu pot scăpa pentru a disipa căldura; în schimb, credem că se răcește prin emiterea de neutrini”.

Stabilirea capcanelor fantome cosmice

Stelele neutronice se nasc când o stea masivă cu masa de cel puțin opt ori mai mare a Soarelui rămâne fără combustibilul necesar fuziunii nucleare în miezul său. După ce acea alimentare cu combustibil se termină, steaua nu se mai poate susține împotriva împingerii în interior a propriei gravitații.

Acest lucru declanșează o serie de prăbușiri de miez care declanșează fuziunea elementelor mai grele, care apoi procură chiar mai grea elemente. Acest lanț se termină atunci când inima stelei muribunde este umplută cu fier, cel mai greu element care poate fi forjat chiar și în miezul celor mai masive stele. Apoi, colapsul gravitațional are loc din nou, declanșând a explozie de supernova care elimină straturile exterioare ale stelei și cea mai mare parte a masei sale.

În loc să formeze elemente noi, acest colaps final al nucleului creează o stare complet nouă a materiei, unică pentru interioarele stelelor neutronice. Negativ electronii si pozitive protoni sunt forțați împreună, creând o supă ultradensă de neutroni, care sunt particule neutre. Un aspect al fizicii cuantice numit “presiunea degenerative„împiedecă aceste nuclee bogate în neutroni să se prăbușească în continuare, deși acest lucru poate fi depășit de stele cu o masă suficientă care se prăbușește complet – pentru a naște găuri negre.

Rezultatul acestei serii de prăbușiri este o stea moartă densă, sau stea neutronică, cu o masă între una și două ori mai mare decât stea originală – înghesuită pe o lățime de aproximativ 12 mile (20 de kilometri). Pentru context, materia care cuprinde stelele neutronice este atât de densă încât, dacă o lingură din ea ar fi adusă pe Pământ, ar cântări aproximativ la fel de mult ca și Muntele Everest. Poate mai mult.

Cu toate acestea, aceste stele extreme nu trăiesc (sau mor) întotdeauna izolate. Unele sisteme stelare binare conțin două stele suficient de masive pentru a naște stele neutronice. Ca acestea stele neutronice binare orbitează unul în jurul celuilalt, ele emit ondulații în însăși țesutul spațiului și al timpului numit valuri gravitationale.

Pe măsură ce aceste unde gravitaționale răsună din binare de stele neutroni, ele duc cu ei impulsul unghiular. Acest lucru duce la pierderea energiei orbitale în sistemul binar și face ca stelele neutronice să se adună împreună. Cu cât orbitează mai aproape, cu atât emit mai repede unde gravitaționale – și cu atât mai rapid orbitele lor se strâng și mai mult. În cele din urmă, gravitația stelelor neutronice preia controlul și stele moarte se ciocnesc și fuzionează.

Această coliziune creează „pulverizări” de neutroni, îmbogățind mediul din jurul fuziunii cu versiuni libere ale acestor particule. Acestea pot fi „prinse” de atomii elementelor din acest mediu în timpul unui fenomen numit „proces de captare rapidă” (procesul r). Acest lucru creează elemente supergrele care suferă dezintegrare radioactivă pentru a crea elemente mai ușoare care sunt încă mai grele decât fierul. Gândiți-vă la aur, argint, platină și uraniu. Dezintegrarea acestor elemente creează, de asemenea, o explozie de lumină pe care astronomii o numesc “kilonova.”

Primele momente ale ciocnirilor de stele neutroni

Neutrinii sunt, de asemenea, creați în primele momente ale fuziunii unei stele de neutroni, pe măsură ce neutronii sunt destrămați, spune echipa, creând electroni și protoni. Iar cercetătorii au vrut să știe ce s-ar putea întâmpla în aceste momente inițiale. Pentru a obține câteva răspunsuri, au creat simulări care folosesc o cantitate uriașă de putere de calcul pentru a modela fuziunea stelelor neutronice binare și fizica asociată cu astfel de evenimente.

Simulările echipei Penn State au dezvăluit pentru prima dată că, pentru o scurtă clipă, căldura și densitatea generate de o coliziune a stelei cu neutroni sunt suficiente pentru a prinde chiar și neutrinii, care în toate celelalte circumstanțe și-au câștigat poreclele fantomatice.

„Aceste evenimente extreme extind limitele înțelegerii noastre despre fizică, iar studierea lor ne permite să învățăm lucruri noi”, a adăugat Radice. „Perioada în care stelele care se contopesc sunt în dezechilibru este de doar două până la trei milisecunde, dar la fel ca temperatura, timpul este relativ aici; perioada orbitală a celor două stele înainte de fuziune poate fi de doar o milisecundă.

„Această scurtă fază de dezechilibru este atunci când are loc cea mai interesantă fizică. Odată ce sistemul revine la echilibru, fizica este mai bine înțeleasă”.

Echipa se gândește la interacțiunile fizice precise care au loc în timpul fuziuni de stele neutroni ar putea influența semnalele luminoase de la aceste evenimente puternice care ar putea fi observate pe Pământ.

“Cum neutrinii interacționează cu materia stelelor și în cele din urmă sunt emise pot avea un impact asupra oscilațiilor rămășițelor fuzionate ale celor două stele, care, la rândul lor, pot afecta ceea ce electromagnetic și semnalele undelor gravitaționale al fuziunii arată ca atunci când ajung la noi aici pe Pământ”, a declarat în declarație membrul echipei Pedro Luis Espino, cercetător postdoctoral la Penn State și Universitatea din California, Berkeley.Detectoare de unde gravitaționale de ultimă generație ar putea fi proiectat pentru a căuta astfel de diferențe de semnal. În acest fel, aceste simulări joacă un rol crucial, permițându-ne să obținem o perspectivă asupra acestor evenimente extreme în timp ce informăm experimentele și observațiile viitoare într-un fel de buclă de feedback.

„Nu există nicio modalitate de a reproduce aceste evenimente într-un laborator pentru a le studia experimental, așa că cea mai bună fereastră pe care o avem pentru a înțelege ce se întâmplă în timpul fuziunii unei stele de neutroni binare este prin simulări bazate pe matematică care rezultă din Teoria relativității generale a lui Einstein.”

Cercetarea echipei a fost publicată pe 20 mai în jurnal Scrisori de recenzii fizice.

Postat inițial pe Space.com.

Robert Lea este un jurnalist științific în Marea Britanie, specializat în știință, spațiu, fizică, astronomie, astrofizică, cosmologie, mecanică cuantică și tehnologie. Articolele lui Rob au fost publicate în Physics World, New Scientist, Astronomy Magazine, All About Space și ZME Science. De asemenea, scrie despre comunicarea științifică pentru Elsevier și European Journal of Physics. Rob deține o diplomă de licență în fizică și astronomie de la Open University din Marea Britanie