2010.11.16. - Meglepően nagy tömegű neutroncsillagot azonosítottak

Az általános relativitáselmélet egyik következményén alapuló módszer segítségével egy meglepően nehéz neutroncsillagot azonosítottak, melynek közel kétszeres naptömege a belső felépítésre vonatkozó megszorításokkal is jár.

A neutrocsillagok nagytömegű csillagok végállapotai, azok szupernóva-robbanása során az összeroskadó magból jönnek létre. Bár méretűk mindössze városnyi, ebben a kicsiny térfogatban naptömegnyi anyag koncentrálódik, így a neutroncsillagok a Világegyetem legsűrűbb objektumai. A halálát jelentő kataklizma során a csillag magjában a hőmérséklet és a nyomás olyan magasra szökik, hogy az elektronok és a protonok neutronokká "préselődnek" össze, és az így keletkező objektum főként elfajult neutrongázból áll. Az elméletek szerint bizonyos (kiindulási) tömeghatárig a Pauli-elv megakadályozza a fekete lyukká történő végső összeroskadást és a maradvány neutroncsillag formájában stabilizálódik, ami a szülőcsillagtól örökölt impulzusnyomaték és a kis méret miatt nagyon gyorsan forog. Az objektum a mágneses pólusai - melyek általában nem esnek egybe a forgástengelyével - környékén gerjesztődő rádiósugárzás és a gyors pörgés miatt a rádiótartományban pulzárként detektálható. A belső szerkezetét, illetve azt, hogy milyen egzotikus részecskéket tartalmazhat, több modell is taglalja, de az extrém viszonyok földi laboratóriumi körülmények között nem állíthatók elő, így ezen a módon az elméletek sem tesztelhetők. Ha azonban meg tudjuk határozni a neutroncsillag tömegét, akkor a belső felépítésre vonatkozóan is többet lehet mondani.

A háromezer fényévre lévő PSR J1614-2230 katalógusjelű pulzár esetében a Paul Demorest (NRAO) által vezetett csoportnak ez a Green Bank rádióteleszkópon működő GUPPI (Green Bank Ultimate Processing Instrument) műszer adatai alapján sikerült. A másodpercenként 317-et pördülő objektum érdekessége - részben ez tette lehetővé magát a tömegmeghatározást is -, hogy egy kettős rendszer tagja, a kísérője egy 9 napos keringési periódusú fehér törpe, melynek pályasíkja éppen a látóirányunkba esik. Külön szerencse, hogy a pulzár rádiónyalábjai szintén ebben a síkban vannak, ez pedig azt jelenti, hogy a rádióhullámok nagyon közel haladnak el a fehér törpéhez, amikor az a neutroncsillag és köztünk van. Ez azért lényeges, mert emiatt a rádióhullámokban kimutatható az ún. Shapiro-effektus (Irwin Shapiro, 1964): a fehér törpe gravitációs terében a rádióhullámok késleltetést szendvednek, így a földi berendezések kicsit később veszik a pulzusokat ahhoz képest, mint amikor a fehér törpe a keringési pályáján a látóvonaltól messzebb van. A késleltetés mértéke függ a fehér törpe tömegétől, így az a mérésekből meghatározható, ismeretében pedig a kettős másik tagjának, a neutroncsillagnak a tömege is származtatható. Demorest és munkatársai erre 1,97 ± 0,04 naptömeget kaptak, amivel a PSR J1614-2230 az eddig ismert legnagyobb tömegű neutroncsillag.

Magyarázó ábra arról, hogy a fehér törpe gravitációs tere hogyan késlelteti a neutrocsillag rádiópulzusait.
[Bill Saxton/NRAO/AUI/NSF]

A PSR J1614-2230 meglepően nagy tömege alapján a belső szerkezet és fizika viszonyok leírását célzó elméleti modellek jóslatai közül néhányat ki lehet zárni, meg lehet mondani, hogy milyen elemi részecskék nem fordulhatnak elő a neutroncsillag belsejében. Nem lehetnek benne például hiperonok, azaz olyan barionok (nehéz részecskék), melyekben nincs c-kvark (charm, bájos) és d-kvark (down, le), csak s-kvarkokból (strange, furcsa) állnak. De ugyanúgy nem lehetnek a belsejében kaonok (s-kvark + u- vagy d-antikvark, s-antikvark + u- vagy d-kvark) sem. Bár a neutroncsillagokban uralkodó extrém viszonyok fizikája pontosan még nem ismert, Feryal Ozel (University of Arizona) szerint az új eredmény segíthet a kép tisztázásában. Ha vannak is kvarkok egy neutroncsillag magjában, azok a nagy tömeg miatt biztosan nem lehetnek szabad állapotban, inkább egymással olyan kölcsönhatásban, mint a normál atommagokban.

Az elképzelések szerint nagy valószínűséggel a neutroncsillagok - pontosabban összeolvadó neutroncsillagokból álló kettős rendszerek - az ún. rövid gammavillanások (short GRBs) forrásai is. Az, hogy tömegük az új eredmény által jelzett nagyságú is lehet, mutatja, hogy az általuk alkotott kettősök valóban alkalmasak lehetnek a gammavillanások során felszabaduló óriási energia produkálására.

Az eredményeket részletező szakcikk a Nature magazin 2010. október 28-i számában jelent meg.

Forrás:

• Astronomy Now Online 2010.10.28.