Nuclear Pasta in Neutron Stars

Titel: Astrotechnical Science and Nuclear Pasta

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

First Author ‘ s Institution:Indiana University, USA

Status: arXiv.org, open access

binnen een neutronenster

neutronensterren zijn de dichtste objecten in het heelal. Natuurlijk is de materie in hen exotisch en anders dan alles op aarde-stel je voor dat je de massa van onze Zon verplettert tot een ster met een doorsnede van slechts 10 km! Zoals men uit hun naam zou kunnen raden, bestaan neutronensterren voornamelijk uit neutronen, met een kleine fractie van elektronen en protonen die ook bijdragen aan hun massa. Een neutronenster kan worden beschouwd als analoog aan een gigantische atoomkern, gebonden door zwaartekracht in plaats van de sterke kracht. Onder de druk die door de zwaartekracht wordt uitgeoefend, wordt de materie samengeperst tot dezelfde dichtheid als de kernen van atomen; eigenschappen van de materie met hoge dichtheid in neutronensterren worden in deze beet besproken.Laten we nu de afdaling door de korst van een neutronenster visualiseren. Figuur 1 geeft een schema van de gelaagde lagen die we tegenkomen tijdens onze afdaling. In de buitenste korst worden neutronen samengevoegd tot kernen die een vast rooster vormen. Als we dieper afdalen in de korst, worden de kernen steeds reusachtiger en neutronenrijk. Boven een bepaalde grootte beginnen de neutronen uit de kernen te stromen en uit te druppelen, waardoor een oceaan van vrije neutronen ontstaat waarin het rooster van kernen wordt ondergedompeld. Dit betekent onze overgang naar de binnenste korst. Hier, aan de basis van de korst (of “mantel”), ontdekken we de ingewikkelde nucleaire structuren waar het huidige papier zich mee bezig houdt. Meestal verwachten we dat kernen bolvormig zijn, maar hier vervormen en versmelten de kernen, en vormen ze clusters van exotische vormen genaamd “nucleaire pasta”. Voorbij dit punt komen we in de kern van de ster waar we uniforme nucleaire materie vinden: een neutronenfluïd (een stof die zonder wrijving stroomt) bestaat naast een proton supergeleider (een materiaal dat elektriciteit geleidt zonder weerstand).

figuur 1: A) structuur van een neutronenster. De symbolen N, N, p, E, μ komen overeen met respectievelijk kernen, vloeibare neutronen en protonen, elektronen en muonen. b) samenstelling van de binnenste korst van een neutronenster. Bron: https://compstar.uni-frankfurt.de/outreach/short-articles/the-nuclear-pasta-phase/

nucleaire Pasta

onder de extreme omstandigheden met hoge dichtheid in een neutronenster levert de concurrentie tussen nucleaire aantrekking en Coulomb-afstoting exotische structuren op die nucleaire pasta worden genoemd. Ravenhall, Pethick en Wilson waren de eersten die deze ongewone configuraties van nucleaire materie onderzochten. Kernpasta wordt gekenmerkt door complexe, niet-bolvormige patronen zoals buizen, platen en bellen; deze configuraties minimaliseren hun energie (zie Figuur 2). De naam “nucleaire pasta” is ontstaan als gevolg van een gelijkenis met verschillende soorten pasta — zoals lasagne, gnocchi en spaghetti!

momenteel is ons begrip van kernpasta in neutronensterren grotendeels gebaseerd op theoretische berekeningen. Er bestaan echter observationele bewijzen die het bestaan van kernpasta in de korst ondersteunen. Pons, Vigano en Rea stellen bijvoorbeeld dat de pasta-fase de maximale spinperiode van roterende neutronensterren (pulsars) beperkt. Ze suggereren dat de afwezigheid van geïsoleerde röntgenpulsars met draaiperioden van meer dan 12 seconden observationeel bewijs van nucleaire pasta kan zijn. De jacht op observationele signaturen van de nucleaire pasta laag is een onderzoeksonderwerp van groot belang.

Figuur 2: voorbeelden van verschillende fasen van de kernpasta. Figuur 3 op papier.

resultaten

in dit artikel voeren de auteurs semiklassieke moleculaire dynamica simulaties uit van nucleaire pasta. De semi-klassieke benadering is gerechtvaardigd omdat het relevante gedrag clusters van duizenden nucleonen impliceert en deze zware clusters klassiek kunnen worden behandeld. De kwantumeffecten die aanwezig zijn op kleinere schalen worden met de hand ingebracht via de parameters in het semi-klassieke model.

de auteurs modelleren de geometrie en topologie van de complexe pasta structuren afgebeeld in Figuur 2 en extraheren nuttige eigenschappen van het materiaal, zoals thermische en elektrische geleidbaarheid. De auteurs bespreken hoe de aanwezigheid van een pasta laag aan de basis van de neutronensterkorst waarnemingen van astrofysische fenomenen zoals Supernova neutrino ‘ s, verval van het magnetisch veld en afkoeling van de korst van aangroeiende neutronensterren zou kunnen beïnvloeden.

hierboven bespraken we de paper geschreven door Pons et al. waarvan wordt verwacht dat de kernpastafasen onzuiverheden bevatten. De onzuiverheden veroorzaken dat het magnetisch veld van de neutronenster vervalt over 0,1-1 Myr, wat overeenkomt met de waargenomen populatie van geïsoleerde Röntgenpulsars met draaiperioden van minder dan 12 seconden. Moleculaire dynamica simulaties in het document van vandaag leveren bewijs om Pon ‘ s veronderstelling te ondersteunen dat de pasta een hoge onzuiverheid parameter heeft. Daarom past een ander stukje van de puzzel in elkaar en we hebben nog meer reden om te geloven dat nucleaire pasta bestaat in neutronensterren.

  • over de auteur

over Lisa Drummond

ik ben een astrofysische promovendus met interesse in compacte objecten en gravitatiegolven. Ik studeerde neutron star interiors voor mijn master thesis aan de Universiteit van Melbourne, Australië en nu doe ik mijn PhD aan het MIT.

Geef een antwoord

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd.