Rymdforskare vid University of Bath i Storbritannien har hittat ett nytt sätt att undersöka neutronstjärnornas inre struktur, ger kärnfysiker ett nytt verktyg för att studera de strukturer som utgör materia på atomnivå.

Neutronstjärnor är döda stjärnor som har komprimerats av gravitationen till storleken på små städer. De innehåller den mest extrema materien i universum, vilket betyder att de är de tätaste föremålen som finns (som jämförelse, om jorden skulle komprimeras till densiteten av en neutronstjärna, den skulle bara mäta några hundra meter i diameter, och alla människor skulle få plats i en tesked). Detta gör neutronstjärnor till unika naturliga laboratorier för kärnfysiker, vars förståelse av kraften som binder subatomära partiklar är begränsad till deras arbete på jordbundna atomkärnor. Att studera hur denna kraft beter sig under mer extrema förhållanden erbjuder ett sätt att fördjupa sin kunskap.

Gå in i astrofysiker, som ser till avlägsna galaxer för att reda ut fysikens mysterier.

I en studie som beskrivs i Månatliga meddelanden från Royal Astronomical Society , Bath-astrofysiker har funnit att verkan av två neutronstjärnor som rör sig allt snabbare när de går i spiral mot en våldsam kollision ger en ledtråd till sammansättningen av neutronstjärnans material. Från denna information, kärnfysiker kommer att ha en starkare position för att beräkna de krafter som bestämmer strukturen av all materia.

Resonans

Det är genom fenomenet resonans som Bath-teamet har gjort sin upptäckt. Resonans uppstår när kraft appliceras på ett föremål med dess naturliga frekvens, genererar en stor, ofta katastrofala, vibrationsrörelse. Ett välkänt exempel på resonans finns när en operasångare krossar ett glas genom att sjunga tillräckligt högt med en frekvens som matchar glasets oscillationslägen.

När ett par neutronstjärnor i spiral når ett tillstånd av resonans, deras fasta skorpa – som tros vara 10 miljarder gånger starkare än stål – splittras. Detta resulterar i frigörandet av en ljus explosion av gammastrålar (kallad Resonant Shattering Flare) som kan ses av satelliter. Stjärnorna i spiralform släpper också ut gravitationsvågor som kan detekteras av instrument på jorden. Bath-forskarna fann att genom att mäta både blossen och gravitationsvågssignalen, de kan beräkna neutronstjärnans 'symmetrienergi'.

Symmetrienergi är en av egenskaperna hos kärnämne. Det styr förhållandet mellan de subatomära partiklarna (protoner och neutroner) som utgör en kärna, och hur detta förhållande förändras när det utsätts för de extrema densiteterna som finns i neutronstjärnor. En avläsning för symmetrienergi skulle därför ge en stark indikation på sammansättningen av neutronstjärnor, och i förlängningen, de processer genom vilka alla protoner och neutroner kopplas samman, och de krafter som bestämmer strukturen av all materia.

Forskarna betonar att mätningar som erhållits genom att studera resonansen hos neutronstjärnor med en kombination av gammastrålar och gravitationsvågor skulle vara komplementära till, snarare än en ersättning för, kärnfysikers labbexperiment.

"Genom att studera neutronstjärnor, och de katastrofala slutliga rörelserna hos dessa massiva föremål, vi kan förstå något om den lilla, små kärnor som utgör extremt tät materia, ", sa Bath-astrofysikern Dr. David Tsang. "Den enorma skillnaden i skala gör det här fascinerande."

Astrofysik Ph.D. student Duncan Neill, som ledde forskningen, tillade:"Jag gillar att det här arbetet tittar på samma sak som studeras av kärnfysiker. De tittar på små partiklar och vi astrofysiker tittar på objekt och händelser från många miljoner ljusår bort. Vi tittar på samma sak i en helt annat sätt."

Dr Will Newton, astrofysiker vid Texas A&M University-Commerce och projektsamarbetspartner, sa:"Även om kraften som binder kvarkar till neutroner och protoner är känd, hur det faktiskt fungerar när ett stort antal neutroner och protoner möts är inte väl förstått. Strävan efter att förbättra denna förståelse får hjälp av experimentell kärnfysikdata, men alla kärnor vi undersöker på jorden har liknande antal neutroner och protoner bundna tillsammans med ungefär samma densitet.

"I neutronstjärnor, naturen ger oss en helt annan miljö för att utforska kärnfysik:materia som mestadels består av neutroner och spänner över ett brett spektrum av densiteter, upp till cirka tio gånger tätheten hos atomkärnor. I det här pappret, vi visar hur vi kan mäta en viss egenskap hos denna materia – symmetrienergin – från avstånd på hundratals miljoner ljusår bort. Detta kan kasta ljus över kärnornas grundläggande funktion."