Sciencemag.cz
Doporučujeme
Sondy XMM-Newton ESA a Chandra NASA objevily tři mladé neutronové hvězdy, které jsou na svůj věk neobvykle chladné. Porovnáním jejich vlastností s různými modely neutronových hvězd vědci dospěli k závěru, že nízké teploty diskvalifikují přibližně 75 % známých modelů. Má jít o velký krok k odhalení jediné stavové rovnice neutronové hvězdy.
Hmota v jádru neutronové hvězdy je stlačena tak silně, že si stále nejsme jisti, jakou má podobu. Neutronové hvězdy dostaly svůj název podle toho, že pod jejich obrovským tlakem se hroutí i atomy: elektrony se slučují s atomovými jádry a mění protony na neutrony. Ale může to být ještě podivnější, protože extrémní teplota a tlak mohou stabilizovat (víceméně neznámé) exotičtější částice, které nikde jinde nepřežijí, nebo případně roztavit částice do vířící polévky jejich složek – kvarků. (Poznámka: viz jak se tomu také někdy říká: strangelet, kvarková hvězda…)
Procesy uvnitř neutronové hvězdy popisuje právě „obecný model“ – stavová rovnice. Problém je, že vědci zatím nevědí, který ze stovek možných modelů stavové rovnice je správný. I když chování jednotlivých neutronových hvězd může záviset na jejich konkrétních vlastnostech, jako je hmotnost nebo rychlost rotace, všechny neutronové hvězdy se současně musí řídit stejnou stavovou rovnicí.
Při zkoumání dat z misí ESA XMM-Newton a NASA Chandra nyní astronomové objevili tři výjimečně mladé a studené neutronové hvězdy, které jsou 10-100krát chladnější než jejich stejně staré kolegyně. Porovnáním jejich vlastností s rychlostí ochlazování předpovídanou různými modely dospěli autoři nové studie k závěru, že existence těchto tří objektů vylučuje většinu navrhovaných stavových rovnic. Vyhovují pouze modely, v nichž dochází k rychlému („zesílenému“ – enhanced) ochlazování.
Odhalení stavové rovnice neutronové hvězdy může mít rovněž důležité důsledky pro základní fyzikální zákony – konkrétně pro spojení kvantové fyziky a teorie relativity, ve smyslu jejího popisu gravitace. Neutronové hvězdy mají obrovskou gravitaci, která lze (v modelech) zkoumat už na škále malých vzdáleností, kde do hry vstupuje i kvantová fyzika.
Tři podivné neutronové hvězdy jsou tak chladné, že je většina rentgenových observatoří nedokáže pozorovat. „Vynikající citlivost přístrojů XMM-Newton a Chandra umožnila nejen detekovat tyto neutronové hvězdy, ale také shromáždit dostatek světla k určení jejich teploty a dalších vlastností,“ uvedla spoluautorka studie Camille Diez z ESA.
Surová data ovšem vyžadovala další výpočty a modelování. Tým dokázal odvodit teplotu neutronových hvězd z rentgenového záření vyslaného z jejich povrchu, rozměry a rychlosti okolních zbytků supernov pak poskytly přesný údaj o jejich stáří. Následovaly výpočty křivek chladnutí podle jednotlivých modelů; každý model předpovídal jiné změny teploty (a tedy i svítivosti) v čase.
Tvar těchto křivek závisí na několika různých vlastnostech neutronové hvězdy, z nichž ne všechny lze z pozorování přesně určit. Z tohoto důvodu tým vypočítal křivky ochlazování pro celou řadu možných hmotností neutronových hvězd a intenzit magnetického pole. Nakonec vše završila statistická analýza. Použití strojového učení k určení, jak dobře se simulované křivky ochlazování shodují s vlastnostmi podivných hvězd, ukázalo, že stavové rovnice bez mechanismu rychlého ochlazování neodpovídají datům.
A. Marino et al, Constraints on the dense matter equation of state from young and cold isolated neutron stars, Nature Astronomy (2024). DOI: 10.1038/s41550-024-02291-y
Zdroj: European Space Agency / Phys.org, přeloženo / zkráceno
