Neutronstjärnor är de minsta, universums tätaste stjärnor, född ur gravitationskollaps av extremt massiva stjärnor. Sann mot deras namn, neutronstjärnor består nästan helt av neutroner - neutrala subatomära partiklar som har komprimerats till en liten, otroligt tät himmelsk förpackning.

En ny studie i Natur , ledd av MIT-forskare, föreslår att vissa egenskaper hos neutronstjärnor kan påverkas inte bara av deras mängd tätt packade neutroner, men också av en betydligt mindre andel protoner – positivt laddade partiklar som bara utgör 5 procent av en neutronstjärna.

Istället för att titta på stjärnorna, forskarna kom till sin slutsats genom att analysera de mikroskopiska kärnorna i atomer på jorden.

Kärnan i en atom är packad med protoner och neutroner, fast inte riktigt lika tätt som i neutronstjärnor. Ibland, om de är tillräckligt nära på avstånd, en proton och en neutron parar ihop sig och sträcker sig genom en atomkärna med ovanligt hög energi. Sådana "kortdistansrelationer, "som de är kända, kan bidra väsentligt till energibalansen och övergripande egenskaper hos en given atomkärna.

Forskarna letade efter tecken på proton- och neutronpar i kolatomer, aluminium, järn, och leda, var och en med ett gradvis högre förhållande neutroner till protoner. De fann att när det relativa antalet neutroner i en atom ökade, det gjorde också sannolikheten för att en proton skulle bilda ett energiskt par. Sannolikheten att en neutron skulle paras ihop, dock, stannade ungefär likadant. Denna trend tyder på att, i föremål med höga densiteter av neutroner, minoritetsprotonerna bär en oproportionerligt stor del av den genomsnittliga energin.

"Vi tror att när du har en neutronrik kärna, i genomsnitt, protonerna rör sig snabbare än neutronerna, så på något sätt, protoner bär handlingen, " säger studiens medförfattare Or Hen, biträdande professor i fysik vid MIT. "Vi kan bara föreställa oss vad som kan hända i ännu mer neutrontäta föremål som neutronstjärnor. Även om protoner är minoriteten i stjärnan, vi tror att minoriteten reglerar. Protoner verkar vara mycket aktiva, och vi tror att de kan bestämma flera egenskaper hos stjärnan."

Gräver igenom data

Hen och hans kollegor baserade sin studie på data som samlats in av CLAS - CEBAF (Continuous Electron Beam Accelerator Facility) Large Acceptance Spectrometer, en partikelaccelerator och detektor baserad på Jefferson Laboratory i Virginia. CLAS, som fungerade från 1998 till 2012, designades för att upptäcka och registrera flera partiklar som sänds ut när elektronstrålar träffar atomära mål.

"Att ha den här egenskapen som en detektor som ser allt och också behåller allt för offline -analys är extremt sällsynt, " säger Hen. "Det har till och med behållit vad folk ansåg "buller, 'och vi lär oss nu att en persons brus är en annan persons signal. "

Teamet valde att bryta CLAF:s arkiverade data för tecken på kortdistansrelationer-interaktioner som detektorn inte nödvändigtvis var avsedd att producera, men att det ändå fångade.

"Folk använde detektorn för att titta på specifika interaktioner, men under tiden, det mätte också parallellt en massa andra reaktioner som ägde rum, "säger medarbetaren Larry Weinstein, professor i fysik vid Old Dominion University. "Så vi tänkte, "Låt oss gräva i den här informationen och se om det finns något intressant där." Vi vill pressa ut så mycket vetenskap vi kan ur experiment som redan har körts."

Ett fullständigt danskort

Teamet valde att bryta CLAS-data som samlades in 2004, under ett experiment där detektorn riktade elektronstrålar mot kol, aluminium, järn, och blyatomer, med målet att observera hur partiklar som produceras i nukleära interaktioner färdas genom varje atoms respektive större volym. Tillsammans med deras varierande storlekar, var och en av de fyra typerna av atomer har olika förhållanden mellan neutroner och protoner i sina kärnor, med kol som har minst neutroner och bly som har flest.

Omanalysen av data gjordes av doktoranden Meytal Duer från Tel Aviv University i ett samarbete med MIT och Old Dominion University, och leddes av Hen. Den övergripande studien genomfördes av ett internationellt konsortium kallat CLAS Collaboration, består av 182 medlemmar från 42 institutioner i 9 länder.

Gruppen studerade data för tecken på högenergiprotoner och neutroner-indikationer på att partiklarna hade parats ihop-och om sannolikheten för denna parning förändrades när förhållandet mellan neutroner och protoner ökade.

"Vi ville utgå från en symmetrisk kärna och se, när vi lägger till fler neutroner, hur saker utvecklas, "Hen säger." Vi skulle aldrig komma till symmetrier hos neutronstjärnor här på jorden, men vi kunde åtminstone se en trend och förstå av det, vad kan hända i stjärnan. "

I slutet, laget observerade att när antalet neutroner i en atomkärna ökade, sannolikheten för att protoner har höga energier (och har parat sig med en neutron) ökade också betydligt, medan samma sannolikhet för neutroner förblev densamma.

"Den analogi vi gillar att ge är att det är som att gå på en dansfest, "Hen säger, åberopar ett scenario där pojkar som kan para ihop sig med tjejer på dansgolvet är enormt många. "Vad som skulle hända är den genomsnittliga pojken skulle ... dansa mycket mer, så även om de var en minoritet i partiet, pojkarna, som protonerna, skulle vara extremt aktiv. "

Hen säger att denna trend med energiska protoner i neutronrika atomer kan sträcka sig till ännu mer neutrontäta föremål, som neutronstjärnor. Protonernas roll i dessa extrema föremål kan då vara mer betydande än människor som tidigare misstänktes. Denna uppenbarelse, Hen säger, kan skaka om forskarnas förståelse för hur neutronstjärnor beter sig. Till exempel, eftersom protoner kan bära betydligt mer energi än man tidigare trott, de kan bidra till egenskaper hos en neutronstjärna, till exempel dess styvhet, dess förhållande mellan massa och storlek, och dess kylningsprocess.

"Alla dessa egenskaper påverkar sedan hur två neutronstjärnor smälter samman, som vi tror är en av de viktigaste processerna i universum som skapar kärnor som är tyngre än järn, som guld, "Hen säger." Nu när vi vet att den lilla fraktionen av protoner i stjärnan är mycket starkt korrelerade, vi måste tänka om hur [neutronstjärnor] beter sig."

Denna berättelse publiceras på nytt med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.