Hur stor är en neutronstjärna? Tidigare uppskattningar varierade från åtta till 16 kilometer. Astrofysiker vid Goethe -universitetet i Frankfurt och FIAS har nu lyckats bestämma storleken på neutronstjärnor till inom 1,5 kilometer genom att använda ett genomarbetat statistiskt tillvägagångssätt som stöds av data från mätning av gravitationella vågor. Forskarnas rapport visas i det aktuella numret av Fysiska granskningsbrev .

Neutronstjärnor är de tätaste objekten i universum, med en massa större än vår sols komprimerade till en relativt liten sfär vars diameter är jämförbar med Frankfurts stad. Detta är faktiskt bara en grov uppskattning, dock. I mer än 40 år har fastställandet av storleken på neutronstjärnor har varit en helig gral inom kärnfysiken vars lösning skulle ge viktig information om materiens grundläggande beteende vid kärntätheten.

Data från detektering av gravitationella vågor från sammanslagna neutronstjärnor (GW170817) ger ett viktigt bidrag till att lösa detta pussel. I slutet av 2017, Professor Luciano Rezzolla, Institutet för teoretisk fysik vid Goethe University Frankfurt och FIAS, tillsammans med sina elever Elias Most och Lukas Weih utnyttjade redan denna data för att besvara en mångårig fråga om den maximala massa som neutronstjärnor kan stödja innan de kollapsar till ett svart hål-ett resultat som också bekräftades av olika andra grupper runt om i världen. Efter detta första viktiga resultat, samma lag, med hjälp av professor Juergen Schaffner-Bielich, har arbetat för att sätta tätare begränsningar för storleken på neutronstjärnor.

Kärnan i frågan är att statens ekvation som beskriver materia inuti neutronstjärnor inte är känd. Fysikerna bestämde sig därför för att gå en annan väg:de valde statistiska metoder för att bestämma storleken på neutronstjärnor inom snäva gränser. För att sätta de nya gränserna, de beräknade mer än två miljarder teoretiska modeller av neutronstjärnor genom att lösa Einstein -ekvationerna som beskriver jämvikt för dessa relativistiska stjärnor och kombinerade denna stora datamängd med de begränsningar som kom från GW170817 gravitationsvågdetektering.

"Ett sådant tillvägagångssätt är inte ovanligt i teoretisk fysik, säger Rezzolla, tillägger:"Genom att utforska resultaten för alla möjliga värden på parametrarna, vi kan effektivt minska våra osäkerheter. "Som ett resultat, forskarna kunde bestämma radien för en typisk neutronstjärna inom ett område av endast 1,5 km:den ligger mellan 12 och 13,5 kilometer, ett resultat som kan förfinas ytterligare av framtida gravitationsvågdetekteringar.

"Dock, det finns en vridning på allt detta, eftersom neutronstjärnor kan ha dubbla lösningar, "säger Schaffner-Bielich. Det är faktiskt möjligt att vid ultrahöga densiteter, materia ändrar drastiskt dess egenskaper och genomgår en så kallad "fasövergång". Detta liknar det som händer med vatten när det fryser och övergår från en vätska till ett fast tillstånd. När det gäller neutronstjärnor, denna övergång spekuleras för att göra vanligt material till "kvarkmaterial, "producerande stjärnor som kommer att ha exakt samma massa som deras neutronstjärna" tvilling, "men det blir mycket mindre och följaktligen mer kompakt.

Även om det inte finns några säkra bevis för deras existens, de är troliga lösningar och forskarna från Frankfurt har tagit hänsyn till denna möjlighet, trots de ytterligare komplikationer som tvillingstjärnor innebär. Denna insats lönade sig i slutändan eftersom deras beräkningar har avslöjat ett oväntat resultat:tvillingstjärnor är statistiskt sällsynta och kan inte deformeras särskilt mycket under sammanslagningen av två sådana stjärnor. Detta är ett viktigt fynd eftersom det nu gör det möjligt för forskare att potentiellt utesluta förekomsten av dessa mycket kompakta föremål. Framtida gravitationsvågsobservationer kommer därför att avslöja om neutronstjärnor har exotiska tvillingar eller inte.