Benda-benda eksotik yang mendingin dengan cepat menulis ulang fisika bintang neutron

Pengamatan terbaru dilakukan oleh teleskop XMM-Newton Badan Antariksa Eropa NASATeleskop Chandra milik NASA telah mengungkap tiga bintang neutron muda yang sangat dingin, menantang model saat ini dengan menunjukkan bahwa mereka mendingin jauh lebih cepat dari yang diperkirakan.

Hasil ini mempunyai implikasi yang signifikan, menunjukkan bahwa hanya sedikit dari sekian banyak usulan Bintang neutron Model-model ini layak dan menunjukkan kemungkinan terobosan dalam menghubungkan teori relativitas umum dan mekanika kuantum melalui observasi astrofisika.

Penemuan bintang neutron yang sangat dingin

Observatorium XMM Newton milik ESA dan Observatorium Chandra milik NASA telah menemukan tiga bintang neutron muda yang sangat dingin untuk usia mereka. Dengan membandingkan sifat-sifatnya dengan berbagai model bintang neutron, para ilmuwan menyimpulkan bahwa suhu rendah dari bintang-bintang aneh mengesampingkan sekitar 75% model yang diketahui. Ini adalah langkah besar menuju pengungkapan “persamaan keadaan” bintang neutron tunggal yang mengatur semuanya, dengan implikasi penting terhadap hukum dasar alam semesta.

Selain lubang hitam, bintang neutron adalah salah satu objek paling membingungkan di alam semesta. Bintang neutron terbentuk pada saat-saat terakhir kehidupan sebuah bintang yang sangat besar (lebih dari delapan kali massa Matahari kita), ketika bahan bakar nuklir di intinya akhirnya habis. Dalam akhir yang tiba-tiba dan penuh kekerasan, lapisan luar bintang terlontar dengan energi yang sangat besar dalam ledakan supernova, meninggalkan awan menakjubkan yang terbuat dari material antarbintang yang kaya akan debu dan logam berat. Di pusat awan (nebula), inti padat bintang berkontraksi membentuk bintang neutron. Lubang hitam juga bisa terbentuk ketika massa inti yang tersisa lebih besar dari sekitar tiga massa matahari. Hak Cipta: Badan Antariksa Eropa

Kepadatan ekstrim dan keadaan materi yang tidak diketahui

Setelah lubang hitam bermassa bintang, bintang neutron adalah objek terpadat di alam semesta. Setiap bintang neutron adalah inti kompak dari sebuah bintang raksasa, yang tersisa setelah bintang tersebut meledak dalam supernova. Setelah kehabisan bahan bakar, inti bintang runtuh karena gaya gravitasi sementara lapisan luarnya terlempar ke luar angkasa.

Materi di pusat bintang neutron terkompresi dengan sangat rapat sehingga para ilmuwan masih belum mengetahui seperti apa bentuknya. Nama bintang neutron diambil dari fakta bahwa di bawah tekanan yang sangat besar ini, bahkan atom pun runtuh: elektron menyatu dengan inti atom, mengubah proton menjadi neutron. Namun hal ini bisa menjadi lebih aneh lagi: panas dan tekanan ekstrem dapat menstabilkan lebih banyak partikel eksotik yang tidak dapat bertahan hidup di tempat lain, atau partikel-partikel tersebut mungkin akan melebur bersama dalam sup kuark penyusunnya yang berputar-putar.

Dalam bintang neutron (kiri), quark yang menyusun neutron terkurung di dalam neutron. Pada bintang quark (kanan), quark bebas, sehingga memakan lebih sedikit ruang dan diameter bintang lebih kecil. Kredit gambar: NASA/XC/M. Weiss

Apa yang terjadi di dalam bintang neutron dijelaskan oleh apa yang disebut “persamaan keadaan”, yaitu model teoretis yang menggambarkan proses fisik yang dapat terjadi di dalam bintang neutron. Masalahnya adalah para ilmuwan belum mengetahui yang mana dari ratusan kemungkinan model persamaan keadaan yang benar. Meskipun perilaku masing-masing bintang neutron mungkin bergantung pada sifat-sifat seperti massanya atau kecepatan putarannya, semua bintang neutron harus mengikuti persamaan keadaan yang sama.

Implikasi pengamatan pendinginan bintang neutron

Menggali data dari Observatorium XMM Newton milik ESA dan Observatorium Chandra milik NASA, para ilmuwan menemukan tiga bintang neutron yang sangat muda dan dingin yang 10 hingga 100 kali lebih dingin daripada bintang-bintang pada usia yang sama. Dengan membandingkan sifat-sifatnya dengan laju pendinginan yang diprediksi oleh berbagai model, para peneliti menyimpulkan bahwa kehadiran ketiga bintang eksotik ini mengesampingkan sebagian besar persamaan keadaan yang diusulkan.

“Usia muda dan suhu permukaan dingin dari ketiga bintang neutron ini hanya dapat dijelaskan dengan menggunakan mekanisme pendinginan cepat karena peningkatan pendinginan hanya dapat diaktifkan dengan persamaan keadaan tertentu, hal ini memungkinkan kita untuk mengesampingkan sebagian besar kemungkinan model ,” jelas fisikawan Nanda Rhea, yang kelompok penelitiannya bekerja di Institute of Space Sciences (ICE-CSIC) dan Institut Studi Luar Angkasa Catalonia (Komisi Energi Atom Internasional) memimpin penyelidikan.

Menyatukan teori dengan mempelajari bintang neutron

Penemuan persamaan keadaan bintang neutron yang sebenarnya juga mempunyai implikasi penting bagi hukum dasar alam semesta. Diketahui bahwa fisikawan belum mengetahui bagaimana menghubungkan teori relativitas umum (yang menjelaskan efek gravitasi dalam skala besar) dengan mekanika kuantum (yang menjelaskan apa yang terjadi pada tingkat partikel). Bintang neutron adalah tempat pengujian terbaik untuk hal ini karena mereka memiliki kepadatan dan gravitasi yang jauh melebihi apa pun yang dapat kita ciptakan di Bumi.

Bintang neutron adalah inti kompak dari bintang raksasa, yang tersisa setelah bintang tersebut meledak dalam supernova. Begitu padatnya sehingga jumlah materi bintang neutron yang setara dengan gula batu memiliki berat yang sama dengan berat seluruh populasi Bumi! Kredit gambar: Badan Antariksa Eropa

Menggabungkan kekuatan: empat langkah menuju penemuan

Ketiga bintang neutron aneh tersebut sangat dingin sehingga terlalu redup untuk dilihat oleh sebagian besar observatorium sinar-X. “Sensitivitas superior dari observatorium XMM-Newton dan Chandra memungkinkan tidak hanya mendeteksi bintang-bintang neutron ini, tetapi juga mengumpulkan cukup cahaya untuk menentukan suhu dan sifat-sifat lainnya,” kata Camille Diez, peneliti di ESA yang mengerjakan XMM. -Data Newton.

Namun, pengukuran sensitif hanyalah langkah pertama untuk menarik kesimpulan tentang arti keanehan ini bagi persamaan keadaan bintang neutron. Untuk mencapai tujuan ini, tim peneliti NANDA di ICE-CSIC mempertemukan keahlian pelengkap dari Alessio Marino, Clara Dehmann, dan Konstantinos Kouvlaka.

Alessio adalah pionir dalam menentukan sifat fisik bintang neutron. Tim tersebut mampu menyimpulkan suhu bintang-bintang neutron dari sinar-X yang dikirim dari permukaannya, sementara ukuran dan kecepatan sisa-sisa supernova di sekitarnya memberikan indikasi akurat mengenai usia mereka.

Clara kemudian memimpin penghitungan “kurva pendinginan” bintang neutron untuk persamaan keadaan yang melibatkan mekanisme pendinginan berbeda. Hal ini memerlukan plot prediksi masing-masing model tentang bagaimana luminositas bintang neutron – fitur yang terkait langsung dengan suhunya – akan berubah seiring waktu. Bentuk kurva ini bergantung pada berbagai sifat bintang neutron, tidak semuanya dapat ditentukan secara akurat dari pengamatan. Untuk alasan ini, tim menghitung kurva pendinginan untuk berbagai kemungkinan massa bintang neutron dan kekuatan medan magnet.

Terakhir, analisis statistik yang dipimpin oleh Constantinos menyatukan semuanya. Pembelajaran mesin Untuk menentukan seberapa cocok kurva pendinginan yang disimulasikan dengan sifat-sifat bola aneh tersebut, penelitian menunjukkan bahwa persamaan keadaan tanpa mekanisme pendinginan cepat tidak memiliki peluang untuk mencocokkan data.

“Penelitian bintang neutron mencakup banyak disiplin ilmu, mulai dari fisika partikel hingga… Gelombang gravitasi“Keberhasilan penelitian ini membuktikan betapa pentingnya kerja sama tim dalam memajukan pemahaman kita tentang alam semesta,” simpul Nanda.

Referensi: “Batasan persamaan keadaan materi padat dari bintang neutron muda yang terisolasi dan dingin” oleh A. Marino, C. Dehmann, K. Koufalkas, N. Rea, JA Pons, D. Vigano, 20 Juni 2024, Astronomi alam.
DOI: 10.1038/s41550-024-02291-y