Astrofysiker vid Goethe-universitetet i Frankfurt sätter en ny gräns för neutronstjärnans maximala massa:De får inte överstiga 2,16 solmassor.

Sedan deras upptäckt på 1960-talet, forskare har försökt svara på en viktig fråga:Hur massiva kan neutronstjärnor egentligen bli? I motsats till svarta hål, dessa stjärnor kan inte vinna i massa godtyckligt; förbi en viss gräns finns det ingen fysisk kraft i naturen som kan motverka deras enorma gravitationskraft. För första gången, astrofysiker vid Goethe-universitetet i Frankfurt har lyckats beräkna en strikt övre gräns för neutronstjärnans maximala massa.

Med en radie på cirka 12 kilometer och en massa som kan vara dubbelt så stor som solens, neutronstjärnor är bland de tätaste objekten i universum, producerar gravitationsfält som är jämförbara med de för svarta hål. Medan de flesta neutronstjärnor har en massa på cirka 1,4 gånger solens, massiva exempel är också kända, såsom pulsaren PSR J0348+0432 med 2,01 solmassor.

Tätheten av dessa stjärnor är enorm, som om hela Himalaya pressades ihop till en ölmugg. Dock, det finns indikationer på att en neutronstjärna med maximal massa skulle kollapsa till ett svart hål om bara en enda neutron tillsattes.

Tillsammans med sina elever Elias Most och Lukas Weih, Professor Luciano Rezzolla, fysiker, senior fellow vid Frankfurt Institute for Advanced Studies (FIAS) och professor i teoretisk astrofysik vid Goethe University Frankfurt, har nu löst problemet som varit obesvarat i 40 år:Med en noggrannhet på några procent, den maximala massan för icke-roterande neutronstjärnor får inte överstiga 2,16 solmassor.

Grunden för detta resultat var metoden för "universella relationer" som utvecklades i Frankfurt för några år sedan [www.goethe-university-frankfurt.de/60913695/15]. Förekomsten av "universella relationer" innebär att praktiskt taget alla neutronstjärnor "ser likadana ut, " vilket betyder att deras egenskaper kan uttryckas i termer av dimensionslösa kvantiteter. Forskarna kombinerade dessa "universella relationer" med data om gravitationsvågsignaler och den efterföljande elektromagnetiska strålningen (kilonova) som erhölls under observationen förra året av två sammanslagna neutronstjärnor i ram för LIGO-experimentet. Detta förenklar beräkningarna oerhört eftersom det gör dem oberoende av tillståndsekvationen. Denna ekvation är en teoretisk modell för att beskriva tät materia inuti en stjärna som ger information om dess sammansättning på olika djup i stjärnan. En sådan universell relationen spelade därför en viktig roll för att definiera den nya maximala massan.

Resultatet är ett bra exempel på samspelet mellan teoretisk och experimentell forskning. "Det fina med teoretisk forskning är att den kan göra förutsägelser. Teori, dock, behöver desperat experiment för att begränsa några av dess osäkerheter, ", säger professor Rezzolla. "Det är därför ganska anmärkningsvärt att observationen av en enda binär neutronstjärna sammanslagning som inträffade miljontals ljusår bort i kombination med de universella relationer som upptäckts genom vårt teoretiska arbete har gjort det möjligt för oss att lösa en gåta som har sett så mycket spekulationer förr."

Forskningsresultaten publicerades som en Letter of the Astrofysisk tidskrift . Bara några dagar senare, forskargrupper från USA och Japan bekräftade resultaten, trots att de hittills har följt olika och oberoende tillvägagångssätt.

Gravitationsvågsastronomi förväntas observera fler sådana händelser inom en snar framtid, både när det gäller gravitationsvågssignaler och i de mer traditionella frekvensområdena. Detta kommer att ytterligare minska osäkerheten om maximal massa och leda till en bättre förståelse av materia under extrema förhållanden. Detta kommer att simuleras i moderna partikelacceleratorer, till exempel på CERN i Schweiz eller FAIR-anläggningen i Tyskland.