Jaderné těstoviny v neutronových hvězdách

Název: Astromateriální Věda a jaderné těstoviny

autoři: M. E. Caplan, C. J. Horowitz

instituce prvního autora: Indiana University, USA

Status: arXiv.org, otevřený přístup

uvnitř neutronové hvězdy

neutronové hvězdy jsou nejhustší objekty ve vesmíru. Přirozeně, hmota uvnitř nich je exotická a na rozdíl od všeho na Zemi-představte si, že rozdrtíte hmotu našeho Slunce na hvězdu jen 10 km napříč! Jak by se dalo uhodnout z jejich jména, neutronové hvězdy se skládají převážně z neutronů, s malým zlomkem elektronů a protonů, které také přispívají k jejich hmotnosti. Neutronová hvězda může být považována za analogickou obřímu atomovému jádru, vázanému spíše gravitačními silami než silnou silou. Pod tlakem vyvíjeným gravitací je hmota stlačena na stejnou hustotu jako jádra atomů; v tomto skusu jsou diskutovány vlastnosti hmoty s vysokou hustotou v neutronových hvězdách.

nyní si představme sestup skrz kůru neutronové hvězdy. Obrázek 1 poskytuje schéma stratifikovaných vrstev, se kterými se setkáváme během našeho sestupu. Ve vnější kůře se neutrony spojují do jader, která tvoří pevnou mřížku. Jak klesáme hlouběji do kůry, jádra se stávají stále obřími a bohatými na neutrony. Za určitou velikost začnou neutrony přetékat z jader a odkapávat, čímž vytvoří oceán volných neutronů, do kterého je ponořena mřížka jader. To znamená náš přechod do vnitřní kůry. Zde, na základně kůry (nebo „pláště“), objevujeme složité jaderné struktury, o které se dnešní papír zabývá. Obvykle očekáváme, že jádra budou sférická, ale zde se jádra deformují a fúzují a vytvářejí shluky exotických tvarů nazývaných „jaderné těstoviny“. Za tímto bodem vstupujeme do jádra hvězdy, kde najdeme jednotnou jadernou hmotu: superfluid neutronů (látka, která teče bez tření) koexistuje s protonovým supravodičem (materiál, který vede elektřinu bez odporu).

Obrázek 1: a) struktura neutronové hvězdy. Symboly N, n, p, e, μ odpovídají jádrům, tekutým neutronům a protonům, elektronům a mionům. b) složení vnitřní kůry neutronové hvězdy. Zdroj: https://compstar.uni-frankfurt.de/outreach/short-articles/the-nuclear-pasta-phase/

jaderné těstoviny

za extrémních podmínek s vysokou hustotou uvnitř neutronové hvězdy vytváří konkurence mezi jadernou přitažlivostí a Coulombovým odpuzováním exotické struktury zvané jaderné těstoviny. Ravenhall, Pethick a Wilson jako první zkoumali tyto neobvyklé konfigurace jaderné hmoty. Jaderné těstoviny se vyznačují složitými, sférickými vzory, jako jsou trubky, plechy a bubliny; tyto konfigurace minimalizují jejich energii (viz Obrázek 2). Název „jaderné těstoviny“ vznikl kvůli podobnosti s různými odrůdami těstovin — jako jsou lasagne, noky a špagety!

v současné době je naše chápání jaderných těstovin v neutronových hvězdách z velké části založeno na teoretických výpočtech. Existují však některé pozorovací důkazy, které podporují existenci jaderných těstovin v kůře. Například Pons, Vigano a Rea předpokládají, že fáze těstovin omezuje maximální dobu odstřeďování rotujících neutronových hvězd (pulsarů). Naznačují, že absence izolovaných rentgenových pulsarů s periodami odstřeďování delšími než 12 sekund může být pozorovacím důkazem jaderných těstovin. Lov pozorovacích podpisů vrstvy jaderných těstovin je výzkumným tématem velkého zájmu.

Obrázek 2: příklady různých fází jaderných těstovin. Obrázek 3 v papíru.

výsledky

v tomto článku autoři provádějí semi-klasické simulace molekulární dynamiky jaderných těstovin. Semi-klasický přístup je oprávněný, protože relevantní chování zahrnuje shluky tisíců nukleonů a tyto těžké shluky lze léčit klasicky. Kvantové efekty přítomné v menších měřítcích se vkládají ručně pomocí parametrů v poloklasickém modelu.

autoři modelují geometrii a topologii složitých struktur těstovin zobrazených na obrázku 2 a extrahují užitečné vlastnosti materiálu, jako je tepelná a elektrická vodivost. Autoři diskutují o tom, jak by přítomnost vrstvy těstovin na bázi kůry neutronové hvězdy mohla ovlivnit pozorování astrofyzikálních jevů, jako jsou neutrina supernovy, rozpad magnetického pole a chlazení kůry narůstajících neutronových hvězd.

výše jsme diskutovali o příspěvku napsaném Ponsem et al. ve kterých se očekává, že jaderné fáze těstovin obsahují nečistoty. Nečistoty způsobují rozpad magnetického pole neutronové hvězdy během 0,1-1 Myr, což je v souladu s pozorovanou populací izolovaných rentgenových pulsarů s periodami spinu kratšími než 12 sekund. Simulace molekulární dynamiky v dnešním článku poskytují důkazy na podporu Ponova předpokladu, že těstoviny mají vysoký parametr nečistot. Proto další kousek skládačky zapadá do sebe a máme ještě více důvodů se domnívat, že jaderné těstoviny existují uvnitř neutronových hvězd.

  • o autorovi

o Lisa Drummond

jsem doktorand astrofyziky se zájmem o kompaktní objekty a gravitační vlny. Studoval jsem interiéry neutronových hvězd pro svou magisterskou práci na University of Melbourne, Austrálie a nyní dělám doktorát na MIT.

Napsat komentář

Vaše e-mailová adresa nebude zveřejněna.