Ørsmå tungvektere utfordrer astronomene
Vi har antagelig en milliard nøytronstjerner i Melkeveien, men vi vet nesten ingenting om dem. Nå vet vi enda mindre. Astronomene har nemlig oppdaget en nøytronstjerne som bare veier halvparten av det den burde gjøre. Funnet åpner opp for en helt ny type ultrakompakte stjerner som presser fysikkens lover til det ytterste.
I ti år har røntgenteleskopet XMM-Newton hatt blikket rettet mot stjernebildet Skorpionen. Her har det høstet stråling fra et av universets mest ekstreme fenomener: en nøytronstjerne.
Romteleskopets oppdrag var å vurdere størrelsen og vekten av den ultrakompakte stjernen, men underveis i analysene har astronomen Viktor Dorosjenko og kollegene hans ved universitetet i Tübingen i Tyskland oppdaget noe som gjør et av universets mest gåtefulle objekter enda mer mystisk.
Alle modeller viser at vekten av en nøytronstjerne ikke kan være mindre enn 1,4 solmasser, men målingene avslører at Dorosjenko og kollegene har funnet en lilleputt som utfordrer den klassiske teorien.
Det tok astronomen Viktor Dorosjenko ti år å høste nok røntgenstråling fra nøytronstjernen HESS J1731-347 til å måle masse og diameter.
Nøytronstjernen HESS J1731-347 veier nemlig bare halvparten av det den burde gjøre. Oppdagelsen snur opp ned på astronomenes kunnskap om nøytronstjerner og kan bety at selv nøytroner kan presses sammen slik at hittil ukjente typer av stjerner oppstår.
Materialet er ekstremt tett
En nøytronstjerne er en ekstremt kompakt stjerne som bare er omkring tretti kilometer i diameter, men som veier opp mot dobbelt så mye som solen. De små tungvekterne oppstår når kjempestjerner – 8 til 20 ganger så tunge som solen – har brukt opp drivstoffet sitt og eksploderer i en supernova.
Mens stjernen lever, motvirker stråling fra forbrenningsprosessene i kjernen tyngdekraftens forsøk på å trekke sammen alt materialet. Men når drivstoffet er brukt opp, får tyngdekraften overtaket. Stjernens ytre lag av gass faller inn i kjernen fra alle sider og presser den sammen til under en milliondel av det opprinnelige volumet. Det får materien til å skifte tilstand.
Atomene pulveriseres totalt. Protoner sluker elektroner og gjøres om til nøytroner som pakkes avsindig tett sammen i en liten, kompakt stjerne.
30 kilometer måler en nøytronstjerne i diameter – samtidig som den veier dobbelt så mye som solen.
I andre stjerner holder den såkalte sterke kjernekraften protoner og nøytroner tett sammen i atomkjernene. Men siden kraften kjemper mot den elektriske frastøtingen mellom protonene i atomkjernen, som har positiv ladning, er det en grense for hvor mye materien kan presses sammen – selv under det voldsomme trykket i hjertet av en stjerne.
I en nøytronstjerne består kjernen stort sett bare av nøytroner, som er elektrisk nøytrale og dermed ikke frastøter hverandre. Derfor kan stjernen komprimeres i en så ekstrem grad at bare en teskje nøytronstoff veier over én milliard tonn.
Nøytronstjernenes nøyaktige størrelse og vekt er imidlertid vanskelig å måle fordi de bare sender ut røntgenstråling og ikke noe synlig lys. Så før astronomene undersøke hvor stor og tung en nøytronstjerne er, må de kjenne avstanden til den – og da må de få hjelp hos de nærmeste naboene.
Nøytronstjernen er altfor liten
Mange kjente nøytronstjerner danner par med en vanlig stjerne. I de tilfellene kan astronomene måle avstanden til den synlige stjernen og dermed også til nøytronstjernen ved hjelp av teleskoper. Deretter kan de regne seg fram til nøytronstjernens størrelse.
Nettopp den metoden har Viktor Dorosjenko og kollegene hans utnyttet til å veie og måle nøytronstjernen HESS J1731-347 i stjernebildet Skorpionen.
Nøytronstjernen befinner seg fortsatt i en tykk støvsky fra supernovaeksplosjonen og opplyses av en synlig nabostjerne. Med hjelp fra ESAs Gaia-satellitt har astronomene kunnet måle avstanden til nabostjernen veldig presist.
Gaia-satellitten har målt avstanden til en strålende følgesvenn i nærheten av den nyoppdagede nøytronstjernen HESS J1731-347, noe som har gjort det mulig å veie den.
I løpet av et halvt år beveger jorden og Gaia seg 300 millioner kilometer til den andre siden av solen, og fra hvert ytterpunkt i jordens bane har satellitten observert nabostjernen til HESS J1731-347.
Målingene viser at den lysende stjernen – og dermed også nøytronstjernen – befinner seg 8000 lysår fra jorden, noe som vær nærmere enn vi trodde.
Med avstanden på plass kunne Viktor Dorosjenko se på nøytronstjernens størrelse. Jo kraftigere røntgenstråling en nøytronstjerne sender ut, desto større og tyngre er den. Men observasjonene viste at HESS J1731-347 sendte ut svakere røntgenstråling enn den burde – siden avstanden var så liten – og derfor er nøytronstjernen både lettere og mindre enn astronomene trodde var mulig.
Nøytronstjerner fødes i supernovaeksplosjoner ved at kjernen i en kjempestjerne kollapser, og vi forstår ikke hvordan den prosessen kan trylle fram en så liten nøytronstjerne. Viktor Dorosjenko, astronom ved universitetet i Tübingen
De tyske forskerne har beregnet at den lille tungvekteren bare inneholder 0,77 solmasser og bare har en diameter på 20,8 kilometer. Det står i skrikende kontrast til astrofysikernes modeller, som forutsier at nøytronstjerner sjelden veier mindre enn 1,4 solmasser.
«Nøytronstjerner fødes i supernovaeksplosjoner ved at kjernen i en kjempestjerne kollapser, og vi forstår ikke hvordan den prosessen kan trylle fram en så liten nøytronstjerne», sier Viktor Dorosjenko til Illustrert Vitenskap.
Nøytronstjernen er en kollapset kjempe
Scenario 1: Gigant etterlater seg svart hull
Når de aller største stjernene, på mer enn 260 solmasser, eksploderer som supernovaer, kollapser kjernen til et svart hull på opptil 50 solmasser. Stjerner med 20–100 solmasser etterlater seg svarte hull på minst 2,6 solmasser.
Scenario 2: Antimaterie utsletter kjempestjerne
Hvis kjempestjerner på 100–260 solmasser eksploderer som supernovaer, gjør ekstrem varme i kjernen om en del av materien til antimaterie. Det gjør eksplosjonen så voldsom at all massen skytes ut i verdensrommet, og stjernen utslettes totalt.
Scenario 3: Kjerne presses sammen til nøytroner
Når tyngdekraften får kjempestjerner på 8–20 solmasser til å kollapse, imploderer jernkjernen og presses sammen til en kompakt nøytronstjerne med mellom 1,4 og 2,1 solmasser. De ytre lagene slynges ut i verdensrommet i en supernova.
Scenario 4: Miniputt er en stor gåte
Nøytronstjernen HESS J1731-347 har en masse på bare 0,77 solmasser og burde ikke eksistere. Stjerner på 1–8 solmasser svulmer nemlig vanligvis opp som røde kjempestjerner før de krymper til hvite dvergstjerner og dør.
Hvis modellene presses til det ytterste, kan nøytronstjerner med bare 1,1 solmasse oppstå i teorien, men HESS J1731-347 faller fortsatt helt utenfor rammen.
Miniputt kan bestå av kvarker
Paradokset bringer en ny teori om nøytronstjerners mystiske indre på banen. Teorien går ut på at stjernens kjerne kan komprimeres enda mer enn det supertunge nøytronstoffet. Det skjer ved at nøytronene i kjernen knuses helt og gjøres om til en suppe av frie kvarker som har en ufattelig høy tetthet.
«Hvis vanlig materie plutselig forvandles til kvarker i kjernen til nøytronstjernen, vil det utløse en eksplosjon som sender noen av nøytronene i de ytre lagene ut i verdensrommet, noe som reduserer stjernens masse. Hvis dette har skjedd i HESS J1731-347, kan det forklare at den har så liten masse», sier Viktor Dorosjenko.
Nøytronene i kjernen kan også gjøres om til partikler som kalles pioner, og som består av en kvark og en antikvark. Vanligvis eksploderer pioner på et øyeblikk, men under det ekstreme trykket i kjernen til en nøytronstjerne kan de være stabile. Her vil partiklenes kvantetilstander være fullstendig koordinert, slik at kjernen i praksis fungerer som ett stort og ekstremt massivt superatom.
En tredje mulighet er at kjernen forvandles til en slags muterte nøytroner som kalles hyperoner, og som ifølge teorien kan pakkes enda tettere sammen enn vanlige nøytroner.
3 teorier kan forklare nøytronstjernens indre
En nøytronstjerne har en tynn atmosfære ytterst og under dette et lag av atomkjerner og nøytroner. Den største gåten er den indre kjernen, der materien kan anta eksotiske tilstander som ikke finnes andre steder i universet.
Forskerne vil se inn i stjernen
I jakten på å oppklare hva som foregår i kjernen på en nøytronstjerne, og hvordan materie oppfører seg ved den mest ekstreme tettheten i universet, ser astronomene mot teleskopene sine.
Økt presisjon i målingene av forholdet mellom nøytronstjernenes masse og størrelse vil nemlig gi mer pålitelig informasjon om den indre oppbygningen.
Vi vet ikke om kvarkstjerner eksisterer. Men hvis de gjør det, kan det forklare den lille massen i den stjernen vi har observert. Viktor Dorosjenko, astronom ved universitetet i Tübingen
Her vil HESS J1731-347 spille en hovedrolle. De fleste nøytronstjerner roterer flere hundre ganger i minuttet og har et sterkt magnetfelt, men HESS J1731-347 er mer stillferdig. Det gjør målingene sikrere og beregningene lettere.
I 2035 skal ESA etter planen sende opp et stort røntgenteleskop som kalles Athene, og som kan fange mye mer røntgenstråling fra nøytronstjernen og øke presisjonen ytterligere.
ESA bestemmer i år om det store røntgenteleskopet Athene skal sendes opp i 2035. Athene kan måle nøytronstjernens masse og størrelse med mye større presisjon enn XMM-Newton.
Uansett om målinger avslører at nøytronstjernenes kjerne består av vanlige nøytroner, kvarker, et gigantisk superatom eller muterte nøytroner, er det snakk om den mest tettpakkede tilstanden materien i universet kan anta.
«Blir materien presset enda mer sammen, er det neste trinnet at det blir et svart hull», sier Viktor Dorosjenko.
Nettopp denne grensen for når supermassiv materie blir til enten en nøytronstjerne eller gjort om til en ekstrem krumming av universet i form av et svart hull, er ytterst interessant for forskerne. Den kan nemlig forene kvantemekanikken, som beskriver atomenes verden, og relativitetsteorien, som beskriver tyngdekraften og verdensrommet, og ikke bare avsløre nøytronstjernenes gåtefulle indre, men også gi fysikerne den endegyldige teorien om alt.
