Nuclear Pasta in Neutron Stars

Title: Astromaterial Science and Nuclear Pasta

Authors: M. E. Caplan, C. J. Horowitz

First Author ’ s Institution: Indiana University, USA

Status: arXiv.org, open access

neutronitähden sisällä

neutronitähdet ovat maailmankaikkeuden tiheimpiä kappaleita. Niiden sisällä oleva aine on luonnollisesti eksoottista ja erilaista kuin mikään maan päällä — kuvittele, että se litistää Aurinkomme massan tähdeksi, jonka läpimitta on vain 10 km! Kuten nimestään voisi arvata, neutronitähdet koostuvat enimmäkseen neutroneista, joiden massaan vaikuttaa myös pieni osa elektroneista ja protoneista. Neutronitähden voidaan ajatella olevan analoginen jättimäisen atomiytimen kanssa, jota sitovat gravitaatiovoimat voimakkaan voiman sijaan. Painovoiman aiheuttamassa paineessa aine tiivistyy samaan tiheyteen kuin atomien ytimet; neutronitähtien tiheän aineen ominaisuuksia käsitellään tässä puremassa.

nyt kuvitellaan laskeutumista neutronitähden kuoren läpi. Kuva 1 tarjoaa kaavamaisen kerrostunut kerrokset kohtaamme aikana laskeutuminen. Uloimmassa kuoressa neutronit yhdistyvät ytimiksi, jotka muodostavat kiinteän hilan. Kun laskeudumme syvemmälle kuoreen, ytimistä tulee yhä jättiläismäisempiä ja neutronipitoisempia. Tietyn koon ulkopuolella neutronit alkavat pursuta ytimistä ja tippua ulos muodostaen vapaiden neutronien valtameren, johon ytimien hila upotetaan. Tämä merkitsee siirtymistä sisempään kuoreen. Täällä, kuoren (tai ”vaipan”) pohjalla, löydämme monimutkaisia ydinrakenteita, joista nykypäivän paperi on kiinnostunut. Yleensä odotamme ytimien olevan pallomaisia, mutta tässä ytimet muuttavat muotoaan ja sulautuvat muodostaen eksoottisten muotojen klustereita, joita kutsutaan ”ydinpastaksi”. Tämän pisteen jälkeen saavumme tähden ytimeen, jossa on yhtenäinen ydinaine: neutronien superfluidi (aine, joka virtaa ilman kitkaa) yhtyy protonien suprajohteeseen (aine, joka johtaa sähköä ilman vastusta).

Kuva 1: A) neutronitähden rakenne. Symbolit N, N, p, e, μ vastaavat ytimiä, nesteen neutroneja ja protoneja, elektroneja ja myoneja vastaavasti. B) neutronitähden sisemmän kuoren koostumus. Lähde: https://compstar.uni-frankfurt.de/outreach/short-articles/the-nuclear-pasta-phase/

Ydinpasta

neutronitähden sisällä vallitsevissa äärimmäisen tiheissä olosuhteissa ydinvoiman vetovoiman ja Coulombin hylkimisreaktion välinen kilpailu tuottaa eksoottisia rakenteita, joita kutsutaan ydinpastaksi. Ravenhall, Pethick ja Wilson tutkivat ensimmäisinä näitä epätavallisia ydinainekokonaisuuksia. Ydinpastalle on ominaista monimutkaiset, ei-pallomaiset kuviot, kuten putket, levyt ja kuplat; nämä kokoonpanot minimoivat niiden energian (KS.kuva 2). Nimi ”ydinpasta” syntyi, koska se muistutti eri pastalajeja — kuten lasagnea, gnoccheja ja spagettia!

tällä hetkellä käsityksemme ydinpastasta neutronitähdissä perustuu pitkälti teoreettisiin laskelmiin. On kuitenkin olemassa joitakin havainnollisia todisteita, jotka tukevat ydinpastan olemassaoloa kuoressa. Esimerkiksi Pons, Vigano ja Rea postuloivat, että pastavaihe rajoittaa pyörivien neutronitähtien (pulsarien) suurinta spin-aikaa. Niiden mukaan eristettyjen Röntgenpulsareiden, joiden spin-ajat ovat yli 12 sekuntia, puuttuminen voi olla havainnollinen todiste ydinpastasta. Ydinpastakerroksen havaitsevien allekirjoitusten metsästys on erittäin kiinnostava tutkimusaihe.

kuva 2: esimerkkejä erilaisista ydinpastafaaseista. Kuva 3 paperilla.

tulokset

tässä paperissa tekijät tekevät puoliklassisia molekyylidynamiikan simulaatioita ydinpastasta. Puoliklassinen lähestymistapa on perusteltu, koska relevanttiin käyttäytymiseen liittyy tuhansien nukleonien klustereita ja näitä raskaita klustereita voidaan käsitellä klassisesti. Pienemmissä mittakaavoissa esiintyvät kvanttivaikutukset laitetaan käsin puoliklassisessa mallissa olevien parametrien läpi.

tekijät mallintavat kuvassa 2 kuvattujen monimutkaisten pastarakenteiden geometriaa ja topologiaa ja poimivat materiaalin hyödyllisiä ominaisuuksia, kuten lämmön-ja sähkönjohtavuutta. Kirjoittajat keskustelevat siitä, miten pastakerroksen läsnäolo neutronitähden kuoren pohjalla voisi vaikuttaa astrofysikaalisten ilmiöiden, kuten supernova-neutriinojen, magneettikentän hajoamisen ja kertyvien neutronitähtien kuoren jäähtymisen havaintoihin.

edellä käsittelimme Pons et al. jossa ydinpastafaasien oletetaan sisältävän epäpuhtauksia. Epäpuhtaudet aiheuttavat neutronitähden magneettikentän hajoamisen 0,1-1 Myr, mikä vastaa havaittua eristettyjen Röntgenpulsarien populaatiota, jonka spin-ajat ovat alle 12 sekuntia. Tämän päivän lehdessä olevat molekyylidynamiikan simulaatiot tukevat Pon: n oletusta siitä, että pastalla on korkea epäpuhtausparametri. Siksi palapelin toinen palanen sopii yhteen ja meillä on vielä enemmän syytä uskoa, että ydinpastaa on neutronitähtien sisällä.

  • tietoa tekijästä

Lisa Drummond

olen astrofysiikan tohtoriopiskelija, joka on kiinnostunut kompakteista kohteista ja gravitaatioaalloista. Opiskelin neutronitähtien sisustusta maisterintutkintoa varten Melbournen yliopistossa Australiassa ja nyt teen väitöskirjaani MIT: ssä.

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista.