Nuclear Pasta in Neutron Stars

Titel: Astromaterialevidenskab og nuklear Pasta

forfattere: M. E. Caplan, C. J. Horvitts

første forfatters Institution: Indiana University, USA

Status: arXiv.org, åben adgang

inde i en neutronstjerne

neutronstjerner er de tætteste objekter i universet. Naturligvis er sagen inde i dem eksotisk og i modsætning til noget på jorden — forestil dig at klemme massen af vores Sol ind i en stjerne kun 10 km på tværs! Som man kan gætte ud fra deres navn, består neutronstjerner for det meste af neutroner, hvor en lille brøkdel af elektroner og protoner også bidrager til deres masse. En neutronstjerne kan betragtes som analog med en kæmpe atomkerne, bundet af tyngdekraften snarere end den stærke kraft. Under det tryk, der udøves af tyngdekraften, komprimeres stof til samme tæthed som atomkernerne; egenskaber af højdensitetsmaterialet i neutronstjerner diskuteres i denne bid.

nu, lad os visualisere faldende gennem skorpen af en neutronstjerne. Figur 1 giver et skematisk billede af de lagdelte lag, vi støder på under vores nedstigning. I den ydre skorpe kombineres neutroner i kerner, der danner et fast gitter. Når vi falder dybere ned i skorpen, bliver kernerne stadig mere gigantiske og neutronrige. Ud over en vis størrelse begynder neutronerne at overløb fra kernerne og dryppe ud og danne et hav af frie neutroner, hvori gitteret af kerner er nedsænket. Dette betyder vores overgang til den indre skorpe. Her ved bunden af skorpen (eller “mantel”) opdager vi de indviklede nukleare strukturer, som Dagens papir beskæftiger sig med. Normalt forventer vi, at kerner er sfæriske, men her deformeres og smelter kernerne og danner klynger af eksotiske former kaldet “nuklear pasta”. Ud over dette punkt går vi ind i kernen i stjernen, hvor vi finder ensartet nukleart stof: en neutron superfluid (et stof, der strømmer uden friktion) sameksisterer med en proton superleder (et materiale, der leder elektricitet uden modstand).

Figur 1: (A) struktur af en neutronstjerne. Symbolerne N, N, p, E, hhv. (B) sammensætning af den indre skorpe af en neutronstjerne. Kilde: https://compstar.uni-frankfurt.de/outreach/short-articles/the-nuclear-pasta-phase/

nuklear Pasta

under de ekstreme forhold med høj densitet inde i en neutronstjerne giver konkurrencen mellem nuklear tiltrækning og Coulomb-frastødning eksotiske strukturer kaldet nuklear pasta. Ravenhall og Pethick var de første til at undersøge disse usædvanlige konfigurationer af nukleart materiale. Kernepasta er kendetegnet ved komplekse, ikke-sfæriske mønstre såsom rør, plader og bobler; disse konfigurationer minimerer deres energi (se figur 2). Navnet” nuklear pasta ” opstod på grund af en lighed med forskellige pastasorter — såsom lasagne, gnocchi og spaghetti!

i øjeblikket er vores forståelse af nuklear pasta i neutronstjerner stort set baseret på teoretiske beregninger. Der findes dog nogle observationsbeviser, der understøtter eksistensen af nuklear pasta i skorpen. For eksempel postulerer Pons, Vigano og Rea, at pastafasen begrænser den maksimale spinperiode for roterende neutronstjerner (pulsarer). De antyder, at fraværet af isolerede Røntgenpulsarer med spinperioder større end 12 sekunder kan være observationsbevis for nuklear pasta. Jagt efter observationsunderskrifter af det nukleare pastalag er et forskningsemne af stor interesse.

figur 2: Eksempler på forskellige nukleare pastafaser. Figur 3 på papir.

resultater

i dette papir udfører forfatterne semi-klassiske molekylære dynamiksimuleringer af nuklear pasta. Den semi-klassiske tilgang er berettiget, fordi den relevante adfærd involverer klynger af tusinder af nukleoner, og disse tunge klynger kan behandles klassisk. De kvanteeffekter, der er til stede i mindre skalaer, sættes i hånden gennem parametrene i den semi-klassiske model.

forfatterne modellerer geometrien og topologien af de komplekse pastastrukturer, der er afbildet i figur 2, og ekstraherer nyttige egenskaber ved materialet, såsom termisk og elektrisk ledningsevne. Forfatterne diskuterer, hvordan tilstedeværelsen af et pastalag ved bunden af neutronstjerneskorpen kunne påvirke observationer af astrofysiske fænomener som supernova neutrinoer, magnetfelt forfald og skorpekøling af accreting neutronstjerner.

ovenfor diskuterede vi papiret skrevet af Pons et al. i hvilke nukleare pastafaser forventes at indeholde urenheder. Urenhederne får neutronstjernens magnetfelt til at henfalde over 0,1-1 Myr, i overensstemmelse med den observerede population af isolerede Røntgenpulsarer med spinperioder mindre end 12 sekunder. Molekylære dynamiksimuleringer i dagens papir giver bevis for at understøtte Pons antagelse om, at pastaen har en høj urenhedsparameter. Derfor passer et andet stykke af puslespillet sammen, og vi har endnu mere grund til at tro, at nuklear pasta findes inde i neutronstjerner.

  • om forfatteren

om Lisa Drummond

jeg er en astrofysik ph.d. – studerende med interesser i kompakte objekter og gravitationsbølger. Jeg studerede neutronstjerneinteriør til min kandidatafhandling ved University of Melbourne, Australien, og nu laver jeg min ph.d. på mit.

Skriv et svar

Din e-mailadresse vil ikke blive publiceret.