Collisioni Di Stelle Di Neutroni

Quanto è grande una stella di neutroni?

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Le stelle di neutroni sono i resti di stelle massicce dopo essere diventate supernova ; mentre gli strati esterni della stella esplodono verso l'esterno creando fuochi d'artificio letteralmente su scala cosmica, il nucleo della stella collassa, diventando incredibilmente compresso. Se il nucleo ha massa sufficiente diventerà un buco nero , ma se è al di sotto di quel limite diventerà una palla ultra-densa composta principalmente da neutroni.

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Le statistiche per le stelle di neutroni fanno riflettere . Hanno una massa fino a oltre il doppio del Sole, ma la densità di un nucleo atomico: Oltre 100 trilioni grammi per centimetro cubo. È difficile da capire, ma pensala in questo modo: se comprimessi ogni singola macchina negli Stati Uniti in roba da stelle di neutroni, otterresti un cubo 1 centimetro di lato . La dimensione di una zolletta di zucchero o di un dado a sei facce. Tutta l'umanità compressa in un tale stato sarebbe meno del doppio di quella larghezza.

Le stelle di neutroni hanno una gravità superficiale centinaia di miliardi di volte quella terrestre e campi magnetici ancora più forti. Una stella di neutroni a metà della galassia distante da noi ha avuto un evento sismico che ci ha colpito fisicamente qui sulla Terra, distante 50.000 anni luce.



Tutto ciò che riguarda le stelle di neutroni è terrificante. Ma per tutto ciò, non siamo ancora esattamente sicuri di quanto siano grandi .

Una stella di neutroni rotante con un potente campo magnetico solleva particelle subatomiche intorno ad essa. Credito d'arte: NASA / Swift / Aurore Simonnet, Sonoma State UniversityIngrandire

Una stella di neutroni rotante con un potente campo magnetico solleva particelle subatomiche intorno ad essa. Credito d'arte: NASA / Swift / Aurore Simonnet, Sonoma State University

Cioè, abbiamo un'idea approssimativa, ma il numero esatto è difficile da determinare. Sono troppo piccoli per essere visti direttamente, quindi dobbiamo dedurre le loro dimensioni da altre osservazioni, e queste sono afflitte da incertezze. La loro dimensione dipende anche dalla loro massa. Ma usando osservazioni di raggi X e altre emissioni di stelle di neutroni, gli astronomi hanno scoperto che hanno un diametro di 20-30 chilometri. È minuscolo, per una massa così grande! Ma è anche una gamma irritantemente ampia. Possiamo fare di meglio?

Sì! Un gruppo di scienziati ha affrontato il problema in modo diverso, e sono stato in grado di restringere le dimensioni di queste bestie feroci ma piccolissime : Hanno scoperto che, per una stella di neutroni con una massa di 1,4 volte quella del Sole (circa nella media per queste cose), avrà un diametro di 22,0 chilometri (con un'incertezza di +0,9/-0,6 km). Scoprono che il loro calcolo è un fattore due più accurato di qualsiasi altro fatto prima.

Questo è... piccolo. Piace, veramente piccolo. Considererei 22 km un breve giro in bicicletta, anche se ad essere onesti farlo su una stella di neutroni sarebbe difficile.

Una stella di neutroni è incredibilmente piccola e densa, compattando la massa del Sole in una palla di pochi chilometri di diametro. Questa opera d'arte ne raffigura uno rispetto a Manhattan. Credito: NASAIngrandire

Una stella di neutroni è incredibilmente piccola e densa, compattando la massa del Sole in una palla di pochi chilometri di diametro. Questa opera d'arte ne raffigura uno rispetto a Manhattan. Credito: Goddard Space Flight Center della NASA

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Allora come hanno ottenuto questo numero? ? La fisica che hanno impiegato è in realtà diabolicamente complicata, ma quello che hanno fatto in effetti è stato risolvere l'equazione di stato di una stella di neutroni - le equazioni fisiche che mettono in relazione le caratteristiche di un oggetto come pressione, volume e temperatura - per ottenere come sarebbero le condizioni per una stella di neutroni modello con massa fissata a 1,4 volte quella del Sole.

Hanno quindi usato quei risultati e li hanno confrontati con le osservazioni di un evento del 2017: una fusione di due stelle di neutroni che ha provocato una colossale esplosione chiamata kilonova . Questo evento, chiamato GW170817, fu un enorme momento spartiacque per l'astronomia, perché le stelle di neutroni in collisione emettevano potenti onde gravitazionali, scuotendo letteralmente il tessuto dell'Universo. Questo è stato il nostro primo avviso dell'evento, ma poi una grande frazione di telescopi sopra e sopra la Terra ha puntato la parte del cielo dove è stata trovata la fusione, e ha visto l'esplosione stessa, la kilonova. Era la prima volta che si vedeva un evento emettere energia elettromagnetica (cioè, leggero ) che è stato visto per la prima volta nelle onde gravitazionali.

Opera d'arte raffigurante il momento della collisione tra due stelle di neutroni. L'esplosione risultante è... piuttosto grande. Credito: Dana Berry, SkyWorks Digital, Inc.Ingrandire

Opera d'arte raffigurante il momento della collisione tra due stelle di neutroni. L'esplosione risultante è... piuttosto grande. Credito: Dana Berry, SkyWorks Digital, Inc.

Ha anche posto molti vincoli alle stelle di neutroni che si sono scontrate. Ad esempio, dopo la fusione hanno emesso luce in un modo specifico, e si è scoperto che non era coerente con il residuo unito che aveva massa sufficiente per collassare direttamente in un buco nero. Ciò accade circa 2,4 volte la massa del Sole, quindi sappiamo che le due stelle insieme avevano una massa inferiore a quella. Al contrario, la luce era incoerente con il resto che era una stella di neutroni bene sotto anche quel limite. Sembra che una stella di neutroni 'ipermassiccia' si sia formata vicino a quel limite, sia durata per un tempo molto breve, e poi crollato in un buco nero.

Tutti questi dati erano foraggio per gli scienziati che calcolavano la dimensione della stella di neutroni. Confrontando i loro modelli con i dati di GW170817, sono stati in grado di ridurre notevolmente la gamma di dimensioni che aveva senso, azzerando il diametro di 22 km.

Questa dimensione ha implicazioni interessanti. Ad esempio, una cosa che gli scienziati delle onde gravitazionali sperano di vedere è la fusione di un buco nero e una stella di neutroni. Questo sarà sicuramente rilevabile, ma la domanda è: emetterà luce che i telescopi più tradizionali possono vedere? Ciò accade quando il materiale della stella di neutroni viene espulso durante la fusione, generando molta luce.

Gli scienziati in questo nuovo lavoro hanno eseguito i numeri e hanno scoperto che per una stella di neutroni di 1,4 masse solari e 22 km di diametro, qualsiasi buco nero più grande di circa 3,4 volte la massa del Sole sarebbe non espellere qualsiasi materiale! È una massa molto bassa per un buco nero, ed è molto improbabile che vedremmo una massa così bassa, specialmente una con una stella di neutroni che può mangiare. Quindi prevedono che questo evento sarà visto solo nelle onde gravitazionali e non nella luce. D'altra parte, questo è solo per non-spinning buchi neri, e in realtà la maggior parte avrà una rotazione rapida; non è chiaro cosa accadrebbe lì, ma immagino che molte persone eseguiranno di nuovo i loro modelli per vedere cosa possono prevedere.

Avere le dimensioni di una stella di neutroni significa essere in grado di capire meglio cosa succede mentre ruotano, poiché i loro campi magnetici ridicolmente potenti influenzano il materiale intorno a loro, come accumulano nuovo materiale e cosa succede vicino al limite di massa tra una stella di neutroni e un nero buco. Ancora meglio, come il Osservatorio di onde gravitazionali LIGO / Vergine le persone mettono a punto le loro apparecchiature e si aspettano che la loro sensibilità aumenti, consentendo migliori osservazioni delle fusioni di stelle di neutroni, che possono quindi essere utilizzate per stringere ancora di più i vincoli dimensionali.

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Sono stato affascinato dalle stelle di neutroni per tutta la mia vita e, ad essere onesti, questo è l'atteggiamento corretto. Sono gli avanzi delle supernove; si scontrano e producono oro, platino, bario e stronzio; sono la centrale elettrica dietro le pulsar; possono generare esplosioni di energia devastanti; e sono gli oggetti più densi che puoi ancora considerare nell'Universo (l'oggetto fisico all'interno dell'orizzonte degli eventi di un buco nero è per sempre fuori dalla nostra portata). Voglio dire, Andiamo, forza . Loro sono Stupefacente .

E questo li ridimensiona.



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