Med en banbrytande metod, forskare från Astronomy and Astrophysics Group av UPC och Canary Islands Institute of Astrophysics (IAC) har hittat en neutronstjärna på cirka 2,3 solmassor – en av de mest massiva som någonsin upptäckts. Studien publicerades den 23 maj i Astrofysisk tidskrift och öppnar en ny kunskapsväg inom många områden av astrofysik och kärnfysik.

Neutronstjärnor (ofta kallade pulsarer) är stjärnrester som har nått slutet av sitt evolutionära liv:de är resultatet av döden av en stjärna med mellan 10 och 30 solmassor. Trots sin lilla storlek (cirka 20 kilometer i diameter), neutronstjärnor har mer massa än solen, så de är extremt täta.

Forskare från Universitat Politècnica de Catalunya (UPC) och Canary Islands Institute of Astrophysics (IAC) använde en innovativ metod för att mäta massan av en av de hittills tyngsta neutronstjärnorna. Upptäcktes 2011 och heter PSR J2215+5135, med cirka 2,3 solmassor är den en av de mest massiva av de mer än 2, 000 neutronstjärnor kända hittills. Även om en studie publicerad 2011 rapporterade bevis på en neutronstjärna med 2,4 solmassor, de mest massiva neutronstjärnorna som tidigare uppnått enighet bland forskare, rapporterade 2010 och 2013, har 2 solmassor.

Studien leddes av Manuel Linares, Marie-Curie forskare vid Astronomy and Astrophysics Group (GAA), kopplad till UPC:s institution för fysik, i samarbete med astronomerna Tariq Shahbaz och Jorge Casares från IAC. Forskarna använde data som erhållits från Gran Telescopio Canarias (GTC), det största optiska och infraröda teleskopet i världen, William Herschel-teleskopet (WHT), Isaac Newton Telescope Group (ING) och IAC-80-teleskopet, i kombination med dynamiska modeller av binära stjärnor med bestrålning. En artikel som rapporterar om resultaten av studien, med titeln "Kika in i den mörka sidan:magnesiumlinjer etablerar en massiv neutronstjärna i PSR J2215+5135", publicerades i Astrofysisk tidskrift .

En banbrytande mätmetod

Teamet utvecklade en mer exakt metod än de som hittills använts för att mäta massan av neutronstjärnor i kompakta binärer. PSR J2215+5135 är en del av ett binärt system, där två stjärnor kretsar runt ett gemensamt masscentrum:en "normal" stjärna (som solen) "följer med" neutronstjärnan. Sekundär- eller följestjärnan bestrålas kraftigt av neutronstjärnan.

Ju mer massiv neutronstjärnan är, desto snabbare rör sig följeslagaren i sin bana. Den nya metoden använder spektrallinjer av väte och magnesium för att mäta hastigheten med vilken följeslagaren rör sig. Detta gjorde det möjligt för teamet under ledning av Manuel Linares att för första gången mäta hastigheten på båda sidor av medföljande stjärna (den bestrålade sidan och den skuggade sidan), och att visa att en neutronstjärna kan ha mer än två gånger solens massa.

Denna nya metod kan också tillämpas på resten av denna växande population av neutronstjärnor:under de senaste 10 åren, Fermi-LAT NASA gammastråleteleskop har avslöjat dussintals pulsarer som liknar PSR J2215+5135. I princip, metoden kan också användas för att mäta massan av svarta hål och vita dvärgar (rester av stjärnor som dör med mer än 30 eller färre än 10 solmassor, respektive) när de finns i liknande binära system där bestrålning är viktig.

Tätare än en atomkärna

Att kunna bestämma den maximala massan av en neutronstjärna har mycket viktiga konsekvenser för många områden av astrofysik, såväl som för kärnfysik. Interaktionerna mellan nukleoner (neutronerna och protonerna som utgör kärnan i en atom) vid höga densiteter är ett av fysikens stora mysterier idag. Neutronstjärnor är ett naturligt laboratorium för att studera de tätaste och mest exotiska tillstånden av materia som kan föreställas.

Resultaten av projektet tyder också på att för att stödja vikten av 2,3 solmassor, repulsionen mellan partiklar i neutronstjärnans kärna måste vara tillräckligt stark. Detta skulle tyda på att vi sannolikt inte kommer att hitta fria kvarkar eller andra exotiska former av materia i neutronstjärnans centrum.