mai 15, 2021

Nettnord.no

Næringsnett Nord-Troms

Nøytronstjerner kan være større enn forventet, ledemåler foreslår |  Vitenskap

Nøytronstjerner kan være større enn forventet, ledemåler foreslår | Vitenskap

Forskere bombet elektroner fra blykjerner ved Thomas Jefferson National Accelerator Facility.

DOE Jefferson Laboratory

Av Adrian Cho

Si hva du vil om bly, den har overraskende tykk hud, det vil si nøytroner. Faktisk er nøytronskallet på utsiden av en blykjerne dobbelt så tykt som fysikere trodde, ifølge en ny studie. Det tilsynelatende abstruse resultatet kan ha implikasjoner utenfor denne verden: Nøytronstjerner, de ultratette kulene som blir igjen når stjerner eksploderer i supernovaeksplosjoner, kan være stivere og større enn teorien generelt forutsier.

“Det er en fantastisk eksperimentell prestasjon,” sier Anna Watts, en astrofysiker ved universitetet i Amsterdam som studerer nøytronstjerner. “Det er blitt snakket om i år og år og år, og det er flott å se det endelig gjort.”

Kjernen til et atom består av protoner og nøytroner holdt sammen av den såkalte sterke atomkraften. Nøytroner er generelt flere enn protoner. Imidlertid ikke for mye, siden en stor ubalanse i antall protoner og nøytroner øker den indre energien til en kjerne og kan gjøre den ustabil. Teorien forutsier generelt at en stor kjerne består av en nesten lik blanding av protoner og nøytroner omgitt av en hud av rene nøytroner.

Det er tykkelsen på huden som kjernefysikere nå har målt med Lead Radio (Pb) Experiment (PREX) ved Thomas Jefferson National Accelerator Facility. For å gjøre det, spratt de rikelig med elektroner fra kjernene til bly-208, elementets vanligste isotop, som har 82 protoner og 126 nøytroner. Negativt ladede elektroner samhandler med positivt ladede protoner primært gjennom elektromagnetisk kraft, som avbøyer elektroner. Gjennom slik elektromagnetisk spredning hadde andre fysikere tidligere målt fordelingen av protoner i bly-208-kjernen og funnet at den strekker seg til en radius på 5,50 fermi, med en fermi som er en milliontedel av 1 nanometer.

For å undersøke nøytroner utnyttet PREX-fysikerne det faktum at elektroner kan samhandle med både protoner og nøytroner gjennom den svake kjernekraften. Svak sammenlignet med den elektromagnetiske kraften, avhenger styrken av om det innkommende elektronet spinner til høyre, som en fotball som kastes av en høyrehendt quarterback, eller til venstre. Den smidigheten tillot PREX-forskerne å oppdage innflytelsen fra den svake styrken.

Forskerne skjøt en stråle elektroner, nesten alle roterende på samme måte, mot blykjernene og målte sannsynligheten for at de ble avbøyd i en bestemt vinkel. Deretter snudde de elektronene for å spinne i motsatt retning og så etter en forskjell på en del på 1 million i strømmen av avbøyde elektroner. Den lille asymmetrien ville indikere effekten av den svake kraften, og størrelsen ville avsløre den romlige forplantningen av nøytronene. Fysikerne snudde elektronenes spinn 240 ganger i sekundet, og var nøye med å sikre at energien, intensiteten eller banen til strålen ikke endret seg.

Den observerte asymmetrien innebærer at blykjernen har en nøytronhud på 0,28 fermi tykk, pluss eller minus 0,07, rapporterer PREX-forskere i dag i Fysiske gjennomgangsbrev. Det tiltaket stemmer veldig godt overens med en tidligere måling rapportert av PREX-teamet i 2012, men de nye dataene reduserte usikkerheten i to. Det mer nøyaktige funnet antyder at bly-208s nøytronskall er omtrent dobbelt så tykt som teoretikerne hadde spådd og andre mindre direkte eksperimenter hadde antydet. “Det har tvunget alle til å begynne å analysere antagelsene sine, og det er en drøm for eksperimenterende,” sier Krishna Kumar, en fysiker ved University of Massachusetts, Amherst, og en medtalsmann for PREX-teamet.

Noen av disse antagelsene involverer til slutt nøytronstjerners natur. Selv om en atomkjerne er flere ganger mindre tett enn en nøytronstjerne, kan førstnevnte brukes til å utlede slutninger om sistnevnte, forklarer Jorge Piekarewicz, en atomteoretiker ved Florida State University. Spesielt innebærer en tykkere nøytronhud at nøytronstjerner er mindre komprimerbare enn mange teorier forutsier, sier han, noe som vil gjøre dem større. Faktisk i en annen artikkel publisert i dag i Fysiske gjennomgangsbrev, Beregner Piekarewicz og kollegaer at PREX-resultatet innebærer en radius på mellom 13,25 og 14,25 kilometer for en vanlig nøytronstjerne som er 1,4 ganger mer massiv enn solen. De fleste teorier gir estimater nær de 10 kilometerne.

Den gigantiske størrelsen er sannsynlig for Cole Miller, en astronom ved University of Maryland, College Park, som jobber med NASAs nøytronstjerne Interior Composition Explorer (NICER), et røntgenteleskop på den internasjonale romstasjonen. NICER-forskere bruker strålingsspekteret til en roterende nøytronstjerne for å utlede størrelsen og til og med kartlegge uregelmessigheter på overflaten. Instrumentet har målt strålingen til to nøytronstjerner 1,4 og 2,1 ganger mer massiv enn solen, og har funnet at begge har en radius på omtrent 13 kilometer.

Men Miller påpeker at data fra gravitasjonsbølgedetektorer kan favorisere mindre, jevnere nøytronstjerner. I 2017 oppdaget fysikere ved Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory (LIGO) i USA og Jomfru-detektoren i Italia to nøytronstjerner spinner rundt hverandre og sammenslåing, antagelig for å danne et svart hull. Hvis nøytronstjerner var relativt store og stive, burde de før fusjonen ha begynt å vri hverandre gjennom tyngdekraften, sier Miller. Men LIGO- og Jomfru-forskerne så ingen bevis for en slik tidevannsforvrengning i signalet sitt, sier han.

Witold Nazarewicz, en atomteoretiker i Michigan State University, sier imidlertid at det er for tidlig å bekymre seg for de astrofysiske implikasjonene av PREX-resultatet. Han bemerker at teamet bare måler elektronspredningsasymmetri, og teoriene forskere bruker for å konvertere det til tykkelsen på nøytronshuden har sin egen usikkerhet. Og verdien teamet får fra skjevhet, kan allerede være i konflikt med målinger av andre hovedegenskaper, sier Nazarewicz. “Jeg vil gjerne vite om alt stemmer overens med 208-ledelsen.”

Likevel vil det overraskende PREX-resultatet trolig anspore kjernefysikere og astrofysikere til å undersøke de teoretiske koblingene mellom atomkjerner og nøytronstjerner på nytt, sier Piekarewicz. “Det er et psykologisk sjokk for samfunnet.”

READ  SpaceX Crew Dragon-astronauter kommer hjem med en sjelden sprut før daggry i Mexicogolfen