Materia i neutronstjärnornas hjärtan – täta rester av exploderade massiva stjärnor – tar den mest extrema form vi kan mäta. Nu, tack vare data från NASA:s neutronstjärna Interior Composition Explorer (NICER), ett röntgenteleskop på den internationella rymdstationen, forskare har upptäckt att denna mystiska materia är mindre klämbar än vissa fysiker förutspått.

Fyndet är baserat på NICER:s observationer av PSR J0740+6620 (förkortat J0740), den mest massiva kända neutronstjärnan, som ligger över 3, 600 ljusår bort i den norra stjärnbilden Camelopardalis. J0740 är i ett binärt stjärnsystem med en vit dvärg, den svalkande kvarlevan av en solliknande stjärna, och roterar 346 gånger per sekund. Tidigare observationer placerar neutronstjärnans massa till cirka 2,1 gånger solens.

"Vi är omgivna av normal materia, sakerna i vår vardagliga upplevelse, men det finns mycket vi inte vet om hur materia beter sig, och hur det förvandlas, under extrema förhållanden, " sa Zaven Arzoumanian, den NICER vetenskapsledaren vid NASA:s Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland. "Genom att mäta storleken och massan av neutronstjärnor med NICER, vi utforskar materia på gränsen till att implodera i ett svart hål. När det väl händer, vi kan inte längre studera materia eftersom den är dold av det svarta hålets händelsehorisont."

Arzoumanian och medlemmar av NICER-teamet presenterade sina resultat på lördagen, 17 april, vid ett virtuellt möte med American Physical Society, och artiklar som beskriver resultaten och deras implikationer genomgår nu vetenskaplig granskning.

I slutet av sitt liv, en stjärna som är många gånger tyngre än solen får slut på bränsle i sin kärna, kollapsar av sin egen vikt, och spricker in i en supernova. Den tyngsta av dessa exploderande stjärnor lämnar efter sig svarta hål. Lättare föder neutronstjärnor, som packar mer massa än solen i en sfär ungefär lika bred som New York Citys Manhattan Island är lång.

Forskare tror att neutronstjärnor är skiktade. På ytan, en tunn atmosfär av väte- eller heliumatomer vilar på en fast skorpa av tyngre atomer. I skorpan, den snabba tryckökningen tar bort elektroner från atomkärnor. Längre ner, i den yttre kärnan, kärnorna delar sig i neutroner och protoner. Det enorma trycket krossar protoner och elektroner för att bilda ett hav av mestadels neutroner som så småningom packas ihop med upp till dubbelt så stor densitet som en atomkärna.

Men vilken form har materia i den inre kärnan? Är det neutroner hela vägen ner, eller bryter neutronerna in i sina egna beståndsdelar, kallas kvarkar?

Fysiker har ställt denna fråga sedan Walter Baade och Fritz Zwicky föreslog förekomsten av neutronstjärnor 1934. För att besvara det, astronomer behöver exakta mätningar av både storlekarna och massorna av dessa objekt. Detta gör att de kan beräkna förhållandet mellan tryck och densitet i stjärnans inre kärna och utvärdera materiens slutgiltiga klämbarhet.

I traditionella modeller av en typisk neutronstjärna, en med cirka 1,4 gånger solens massa, fysiker förväntar sig att den inre kärnan till största delen är fylld med neutroner. Den lägre densiteten säkerställer att neutroner förblir tillräckligt långt ifrån varandra för att förbli intakta, och denna inre styvhet resulterar i en större stjärna.

I mer massiva neutronstjärnor som J0740, den inre kärnans täthet är mycket högre, krossa neutronerna närmare varandra. Det är oklart om neutroner kan förbli intakta under dessa förhållanden eller om de istället bryts ner till kvarkar. Teoretiker misstänker att de splittras under trycket, men många frågor om detaljerna kvarstår. För att få svar, forskare behöver en exakt storleksmätning för en massiv neutronstjärna. En mindre stjärna skulle gynna scenarier där kvarkar strövar fritt på de innersta djupen eftersom de mindre partiklarna kan packas närmare. En större stjärna skulle antyda närvaron av mer komplexa former av materia.

För att få de exakta måtten som behövs, NICER observerar snabbt roterande neutronstjärnor som kallas pulsarer, upptäcktes 1967 av Jocelyn Bell Burnell. Ljus, Röntgenstrålande heta fläckar bildas på ytorna av dessa föremål. När pulsarerna roterar, deras fläckar snurrar in och ut ur synen som strålarna från en fyr, producerar regelbundna variationer i deras röntgenljusstyrka.

Men pulsarer är också så täta att deras gravitation förvrängs närliggande rum-tid, som ett bowlingklot som vilar på en studsmatta. Denna förvrängning är tillräckligt stark för att göra att ljus från stjärnans bortre sida – ljus som vi annars inte kunde upptäcka – omdirigeras mot oss, vilket gör att pulsaren ser större ut än den egentligen är. Samma massa i en mindre förpackning ger större distorsion. Denna effekt kan vara så intensiv att den kan förhindra att de heta fläckarna försvinner helt när de roterar runt pulsaren.

Forskare kan dra fördel av dessa effekter eftersom NICER mäter ankomsten av varje röntgenstrålning till bättre än 100 nanosekunder. Genom att spåra hur pulsarens röntgenljusstyrka varierar när den snurrar, forskare kan rekonstruera hur mycket det förvränger rum-tid. Eftersom de känner till dess massa, de kan översätta denna förvrängning till en storlek.

Två team använde olika tillvägagångssätt för modell J0740:s storlek. En grupp ledd av Thomas Riley och Anna Watts - en postdoktor och professor i astrofysik vid universitetet i Amsterdam, respektive – uppskatta att pulsaren är cirka 15,4 miles (24,8 kilometer) tvärs över. Ett team ledd av Cole Miller, en professor i astronomi vid University of Maryland, College Park, fann att J0740 var cirka 27,4 kilometer bred. De två resultaten överlappar väsentligt inom deras osäkerheter, allt från 14,2 till 17 miles (22,8 till 27,4 kilometer) och 15,2 till 20,2 miles (24,4 till 32,6 kilometer), respektive.

Förutom BÄTTRE data, båda grupperna inkluderade också röntgenobservationer från Europeiska rymdorganisationens XMM-Newton-satellit som var till hjälp för att ta hänsyn till bakgrundsljud. J0740:s massa bestämdes tidigare av radiomätningar gjorda av forskare från North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves och Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment.

Under 2019, Riley och Millers team använde NICER data för att uppskatta både storleken och massan av pulsar J0030+0451 (eller J0030). De fastställde att föremålet var cirka 1,4 gånger solens massa och 26 kilometer i diameter.

"Våra nya mätningar av J0740 visar att även om den är nästan 50 % mer massiv än J0030, det är i princip samma storlek, " Sa Watts. "Det utmanar några av de mer klämbara modellerna av neutronstjärnans kärnor, inklusive versioner där interiören bara är ett hav av kvarkar. J0740:s storlek och massa utgör också problem för vissa mindre klämbara modeller som bara innehåller neutroner och protoner."

Nya teoretiska modeller föreslår några alternativ, såsom inre kärnor som innehåller en blandning av neutroner, protoner, och exotisk materia gjord av kvarkar eller nya kombinationer av kvarkar. Men alla möjligheter kommer att behöva omvärderas i samband med denna nya information från NICER.

"J0740:s storlek gör oss teoretiker förbryllade och upphetsade, sa Sanjay Reddy, en professor i fysik vid University of Washington som studerar materia under extrema förhållanden men som inte var inblandad i fyndet. "NICERs mått, kombinerat med andra multibudbärarobservationer, verkar stödja tanken att trycket ökar snabbt i massiva neutronstjärnans kärnor. Även om detta missgynnar övergångar till mer klämbara former av materia i kärnan, dess implikationer är ännu inte helt förstådda."

Millers team bestämde också hur väl forskare kan uppskatta storleken på en pulsar, använda NICER:s J0740 och J0030 mätningar för att komplettera befintlig information från andra tunga pulsarer och gravitationsvåghändelser, rymd-tids krusningar som genereras av kollisioner av massiva föremål som neutronstjärnor och svarta hål.

"Vi vet nu radien för en standard neutronstjärna, med 1,4 gånger solens massa, inom en osäkerhet på 5 %, ", sa Miller. "Det är som att veta storleken på Washington, D.C., inom cirka en kvarts mil. NICER skriver inte bara om läroböckerna om neutronstjärnor, men revolutionerar också vårt förtroende för våra mätningar av objekt som är både mycket avlägsna och mycket små."

Förutom att testa materiens gränser, neutronstjärnor erbjuder också ett nytt sätt att utforska rymdens stora delar. Under 2018, ett team av forskare och NASA-ingenjörer använde NICER för att demonstrera, för första gången, helt autonom navigering i rymden med hjälp av pulsarer, som skulle kunna revolutionera vår förmåga att pilotera robotrymdfarkoster till solsystemets avlägsna delar och bortom.

"NICER var en bra besättningskamrat, " sa NASA-astronaut Christina Koch, som tjänstgjorde som flygingenjör på rymdstationen från mars 2019 till februari 2020, satte rekord för den längsta enstaka rymdfärden av en kvinna. "Uppdraget exemplifierar alla de bästa aspekterna av stationsforskning. Det är banbrytande grundläggande vetenskap, rymdvetenskap, och teknisk innovation, allt möjliggjort av den unika miljön och plattformen i ett kretsloppslaboratorium."