En internationell forskargrupp ledd av medlemmar från Max Planck Institute for Gravitational Physics (Albert Einstein Institute; AEI) har fått nya mätningar av hur stora neutronstjärnor är. Att göra så, de kombinerade en allmän beskrivning av de första principerna av neutronstjärnans okända beteende med observationer av flera budbärare av den binära neutronstjärnans sammanslagning GW170817. Deras resultat, som dök upp i Natur astronomi i dag, är strängare med en faktor två än tidigare gränser och visar att en typisk neutronstjärna har en radie nära 11 kilometer. De finner också att neutronstjärnor som smälter samman med svarta hål i de flesta fall sannolikt kommer att sväljas hela, såvida inte det svarta hålet är litet och/eller snabbt roterar. Detta innebär att även om sådana sammanslagningar kan observeras som gravitationsvågkällor, de skulle vara osynliga i det elektromagnetiska spektrumet.

"Binära neutronstjärna sammanslagningar är en guldgruva av information!" säger Collin Capano, forskare vid AEI Hannover och huvudförfattare till Natur astronomi studie. "Neutronstjärnor innehåller den tätaste materien i det observerbara universum. Faktum är att de är så täta och kompakta, att du kan tänka på hela stjärnan som en enda atomkärna, skalas upp till storleken av en stad. Genom att mäta dessa objekts egenskaper, vi lär oss om den grundläggande fysiken som styr materia på subatomär nivå."

"Vi finner att den typiska neutronstjärnan, som är cirka 1,4 gånger så tung som vår sol har en radie på cirka 11 kilometer, säger Badri Krishnan, som leder forskargruppen vid AEI Hannover. "Våra resultat begränsar radien till att sannolikt vara någonstans mellan 10,4 och 11,9 kilometer. Detta är en faktor två strängare än tidigare resultat."

Binära neutronstjärnor går samman som en astrofysisk skattkammare

Neutronstjärnor är kompakta, extremt täta rester av supernovaexplosioner. De är ungefär lika stora som en stad med upp till dubbelt så stor massa som vår sol. Hur de neutronrika, extremt tät materia beter sig är okänt, och det är omöjligt att skapa sådana förhållanden i något laboratorium på jorden. Fysiker har föreslagit olika modeller (tillståndsekvationer), men det är okänt vilken (om någon) av dessa modeller som korrekt beskriver neutronstjärnans materia i naturen.

Sammanslagningar av binära neutronstjärnor – som GW170817, som observerades i gravitationsvågor och hela det elektromagnetiska spektrumet i augusti 2017 — är de mest spännande astrofysiska händelserna när det gäller att lära sig mer om materia under extrema förhållanden och den underliggande kärnfysiken. Från detta, forskare kan i sin tur bestämma fysikaliska egenskaper hos neutronstjärnor som deras radie och massa.

Forskargruppen använde en modell baserad på en beskrivning av de första principerna av hur subatomära partiklar interagerar vid de höga densiteterna som finns inuti neutronstjärnor. Anmärkningsvärt, som laget visar, teoretiska beräkningar på längdskalor mindre än en biljondels millimeter kan jämföras med observationer av ett astrofysiskt objekt mer än hundra miljoner ljusår bort.

"Det är lite häftigt, " säger Capano. "GW170817 orsakades av kollisionen mellan två objekt i stadsstorlek för 120 miljoner år sedan, när dinosaurier gick omkring här på jorden. Detta hände i en galax en miljard biljoner kilometer bort. Från det, vi har fått insikt i subatomär fysik."

Hur stor är en neutronstjärna?

Den första principbeskrivningen som används av forskarna förutsäger en hel familj av möjliga tillståndsekvationer för neutronstjärnor, som är direkt härledda från kärnfysik. Från denna familj, författarna valde ut de medlemmar som med största sannolikhet förklarar olika astrofysiska observationer; de valde modeller

• som överensstämmer med gravitationsvågobservationer av GW170817 från offentliga LIGO- och Jungfrudata,
• som producerar en kortlivad hypermassiv neutronstjärna som ett resultat av sammanslagningen, och
• som överensstämmer med kända begränsningar för den maximala neutronstjärnans massa från elektromagnetiska motsvarighetsobservationer av GW170817.

Detta gjorde det inte bara möjligt för forskarna att ta fram robust information om fysik för tät materia, men också för att få fram de strängaste gränserna för storleken på neutronstjärnor hittills.

Framtida gravitationsvågor och observationer av flera budbärare

"Dessa resultat är spännande, inte bara för att vi har kunnat avsevärt förbättra mätningarna av neutronstjärnans radier, men eftersom det ger oss ett fönster in i neutronstjärnornas ultimata öde när det slår samman binärer, säger Stephanie Brown, medförfattare till publikationen och en Ph.D. student vid AEI Hannover. De nya resultaten antyder att med en händelse som GW170817, LIGO- och Jungfrudetektorerna vid designkänslighet kommer lätt att kunna särskilja, enbart från gravitationsvågor, om två neutronstjärnor eller två svarta hål har smält samman. För GW170817, observationer i det elektromagnetiska spektrumet var avgörande för att göra den distinktionen.

Forskargruppen finner också att för blandade binärer (en neutronstjärna som smälter samman med ett svart hål), Enbart observationer av gravitationsvågssammanslagningar kommer att ha svårt att skilja sådana händelser från binära svarta hål. Observationer i det elektromagnetiska spektrumet eller gravitationsvågor från efter sammanslagningen kommer att vara avgörande för att skilja dem åt.

Dock, det visar sig att de nya resultaten också antyder att observationer av multi-budbärare av blandade binära sammanslagningar sannolikt inte kommer att ske. "Vi har visat att neutronstjärnan i nästan alla fall inte kommer att slitas isär av det svarta hålet och snarare sväljas hel, " förklarar Capano. "Endast när det svarta hålet är mycket litet eller snabbt snurrar, kan den störa neutronstjärnan innan den sväljer den; och först då kan vi förvänta oss att se något förutom gravitationsvågor."

En ljus framtid framför oss

Under nästa decennium, de befintliga gravitationsvågsdetektorerna kommer att bli ännu känsligare, och ytterligare detektorer kommer att börja observera. Forskargruppen förväntar sig fler mycket högljudda gravitationsvågsdetektioner och möjliga observationer av flera budbärare från sammanslagna binära neutronstjärnor. Var och en av dessa sammanslagningar skulle ge underbara möjligheter att lära sig mer om neutronstjärnor och kärnfysik.