Birleşen iki nötron yıldızının (solda) ve laboratuvarda benzer koşullar altında madde oluşturan bir ağır iyon çarpışmasında (sağda) görülebilen ortaya çıkan parçacık izlerinin simülasyonunu gösteren sanatçının görüntüsü. Kredi: Tim Dietrich, Arnaud Le Fevre, Kees Huyser; arka plan: ESA/Hubble, Sloan Digital Sky Survey
Ağır iyon deneylerini, astrofiziksel gözlemleri ve nükleer teoriyi birleştirmek.
Bir süpernovada devasa bir yıldız patladığında, tamamen yok edilmezse, ya bir kara delik ya da bir kara delik bırakacaktır. nötron yıldızı. Bu esrarengiz kozmik nesneler, nötron yıldızlarının inanılmaz yoğunluğundan kaynaklanan ezici iç basınçlar ve yapıldıkları nükleer maddenin şaşırtıcı özellikleri nedeniyle özellikle gizemlidir.
Şimdi, uluslararası bir araştırmacı ekibi, nükleer maddenin özelliklerini daha kesin bir şekilde sınırlamak için ilk kez ağır iyon deneylerinden, yerçekimi dalgası ölçümlerinden ve diğer astronomik gözlemlerden elde edilen verileri birleştirdi. nötron yıldızları. Sonuçlar 8 Haziran 2022’de dergide yayınlandı. Doğa.
nötron yıldızları dev bir yıldızın yakıtı bitip çöktüğünde oluşur. Küp boyutunda 1 milyar ton (1 trilyon kg.)
Evren boyunca, nötron yıldızları, devasa yıldızların ömrünün sonunu işaret eden süpernova patlamalarında doğar. Bazen nötron yıldızları ikili sistemlere bağlıdır ve sonunda birbirleriyle çarpışırlar. Bu yüksek enerjili, astrofiziksel fenomenler, gümüş ve altın gibi ağır elementlerin çoğunu ürettikleri aşırı koşullara sahiptir. Sonuç olarak, nötron yıldızları ve çarpışmaları, maddenin özelliklerini atom çekirdeği içindeki yoğunlukların çok ötesindeki yoğunluklarda incelemek için benzersiz laboratuvarlardır. Parçacık hızlandırıcılarla yürütülen ağır iyon çarpışma deneyleri, maddeyi yüksek yoğunluklarda ve aşırı koşullar altında üretmenin ve incelemenin tamamlayıcı bir yoludur.
Nükleer maddede oyundaki temel etkileşimlere dair yeni görüşler
Darmstadt Teknik Üniversitesi Nükleer Fizik Enstitüsü’nden Sabrina Huth, “Nükleer teori, nükleer deney ve astrofiziksel gözlemlerden elde edilen bilgileri birleştirmek, nötron yıldızlarında incelenen tüm yoğunluk aralığında nötron açısından zengin maddenin özelliklerine ışık tutmak için çok önemlidir” dedi. yayının baş yazarlarından biridir. Utrecht Üniversitesi Yerçekimi ve Atomaltı Fiziği Enstitüsü’nden (GRASP) bir başka baş yazar olan Peter TH Pang şunları ekledi: “Altın iyonlarının parçacık hızlandırıcılarla çarpışmasından kaynaklanan kısıtlamaların, tamamen farklı yöntemler.”
Sanatçının bir nötron yıldızı tasviri. Kredi: ESO / L. Calçada
Çoklu haberci astronomisindeki son gelişmeler, Almanya, Hollanda, ABD ve İsveç’ten araştırmacıları içeren uluslararası araştırma ekibinin nükleer maddede oyundaki temel etkileşimlere dair yeni anlayışlar kazanmasına izin verdi. Disiplinler arası bir çabayla araştırmacılar, ağır iyon çarpışmalarında elde edilen bilgileri, elektromanyetik sinyallerin astronomik gözlemlerini ve ölçümlerini birleştiren bir çerçeveye dahil ettiler. yerçekimi dalgalarıve teorik nükleer fizik hesaplamaları ile yüksek performanslı astrofizik hesaplamaları. Sistematik çalışmaları, tüm bu bireysel disiplinleri ilk kez bir araya getirerek, nötron yıldızlarında ara yoğunluklarda daha yüksek bir basınca işaret ediyor.
Ağır iyon çarpışmalarının verileri dahil
Yazarlar, Darmstadt’taki GSI Helmholtzentrum für Schwerionenforschung’da ve ABD’deki Brookhaven Ulusal Laboratuvarı ve Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarında gerçekleştirilen altın iyon çarpışma deneylerinden elde edilen bilgileri, nükleer teori ve astrofiziksel gözlemlerden kaynaklanan kısıtlamaları analiz eden çok adımlı prosedürlerine dahil ettiler, radyo gözlemleri yoluyla nötron yıldızı kütle ölçümleri, Uluslararası Uzay İstasyonu (ISS) üzerindeki Neutron Star Interior Composition Explorer (NICER) görevinden alınan bilgiler ve ikili nötron yıldızı birleşmelerinin çoklu haberci gözlemleri dahil.
Nükleer teorisyenler Darmstadt Teknik Üniversitesi’nden Sabrina Huth ve Achim Schwenk ve Los Alamos Ulusal Laboratuvarı’ndan Ingo Tews, ağır iyon çarpışmalarında elde edilen bilgileri astrofizik kısıtlamalarını dahil etmek için gerekli olan nötron yıldızı maddesine çevirmenin anahtarıydı.
Analizlere ağır iyon çarpışmaları verilerinin dahil edilmesi, nükleer teori ve astrofiziksel gözlemlerin daha az hassas olduğu yoğunluk bölgesinde ek kısıtlamalar sağlamıştır. Bu, yoğun maddenin daha eksiksiz bir şekilde anlaşılmasına yardımcı oldu. Gelecekte, ağır iyon çarpışmalarından kaynaklanan iyileştirilmiş kısıtlamalar, tamamlayıcı bilgiler sağlayarak nükleer teori ve astrofiziksel gözlemler arasında köprü oluşturmada önemli bir rol oynayabilir. Özellikle deneysel belirsizlikleri azaltırken daha yüksek yoğunlukları araştıran deneyler, nötron yıldızı özellikleri için yeni kısıtlamalar sağlama konusunda büyük potansiyele sahiptir. Önümüzdeki yıllarda yoğun madde anlayışını daha da geliştirmek için her iki taraftaki yeni bilgiler çerçeveye kolayca dahil edilebilir.
Referans: Sabrina Huth, Peter TH Pang, Ingo Tews, Tim Dietrich, Arnaud Le Fèvre, Achim Schwenk, Wolfgang Trautmann, Kshitij Agarwal, Mattia Bulla, Michael W. Coughlin ve Chris tarafından “Mikroskobik ve makroskobik çarpışmalarla nötron yıldızı maddesinin kısıtlanması” Van Den Broeck, 8 Haziran 2022, Doğa.
DOI: 10.1038/s41586-022-04750-w