Paste nucleare în stele neutronice

Titlu: știința Astromaterialelor și pastele nucleare

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

instituția primului autor: Universitatea Indiana,SUA

stare: arXiv.org, acces deschis

în interiorul unei stele neutronice

stelele neutronice sunt cele mai dense obiecte din univers. Firește, materia din interiorul lor este exotică și spre deosebire de orice altceva de pe Pământ — imaginați-vă că zdrobiți masa Soarelui nostru într-o stea de numai 10 km! După cum s-ar putea ghici din numele lor, stelele neutronice sunt compuse în mare parte din neutroni, cu o mică fracțiune de electroni și protoni contribuind, de asemenea, la masa lor. O stea neutronică poate fi considerată ca fiind analogă cu un nucleu atomic gigant, legat mai degrabă de forțele gravitaționale decât de forța puternică. Sub presiunea exercitată de gravitație, materia este comprimată la aceeași densitate ca și nucleele atomilor; proprietățile materiei de înaltă densitate din stelele neutronice sunt discutate în această mușcătură.

acum, să vizualizăm coborârea prin scoarța unei stele neutronice. Figura 1 oferă o schemă a straturilor stratificate pe care le întâlnim în timpul coborârii noastre. În crusta exterioară, neutronii se combină în nuclee care formează o rețea solidă. Pe măsură ce coborâm mai adânc în crustă, nucleele devin din ce în ce mai gigantice și bogate în neutroni. Dincolo de o anumită dimensiune, neutronii încep să se revărseze din nuclee și să picure, formând un ocean de neutroni liberi în care este scufundată rețeaua nucleelor. Aceasta înseamnă tranziția noastră în crusta interioară. Aici, la baza crustei (sau „mantalei”), descoperim structurile nucleare complicate pe care le preocupă hârtia de astăzi. De obicei, ne așteptăm ca nucleele să fie sferice, dar aici nucleele se deformează și fuzionează, formând grupuri de forme exotice numite „paste nucleare”. Dincolo de acest punct, intrăm în miezul stelei unde găsim materie nucleară uniformă: un superfluid neutronic (o substanță care curge fără frecare) coexistă cu un supraconductor de protoni (un material care conduce electricitatea fără rezistență).

Figura 1: (a) structura unei stele neutronice. Simbolurile N, N, p, E, XV corespund nucleelor, neutronilor fluizi și protonilor, electronilor și, respectiv, muonilor. (b) compoziția crustei interioare a unei stele neutronice. Sursa: https://compstar.uni-frankfurt.de/outreach/short-articles/the-nuclear-pasta-phase/

Paste nucleare

în condițiile extreme, de înaltă densitate din interiorul unei stele neutronice, competiția dintre atracția nucleară și repulsia Coulomb produce structuri exotice numite paste nucleare. Ravenhall, Pethick și Wilson au fost primii care au investigat aceste configurații neobișnuite de materie nucleară. Pastele nucleare se caracterizează prin modele complexe, non-sferice, cum ar fi tuburile, foile și bulele; aceste configurații reduc la minimum energia lor (a se vedea Figura 2). Numele „paste nucleare” a apărut datorită asemănării cu diferite soiuri de paste — cum ar fi lasagna, gnocchi și spaghete!

în prezent, înțelegerea noastră a pastelor nucleare în stelele neutronice Se bazează în mare parte pe calcule teoretice. Cu toate acestea, există unele dovezi observaționale care susțin existența pastelor nucleare în crustă. De exemplu, Pons, Vigano și Rea postulează că faza pastelor limitează perioada maximă de rotire a stelelor neutronice rotative (pulsari). Ei sugerează că absența pulsarilor izolați cu raze X cu perioade de spin mai mari de 12 secunde poate fi o dovadă observațională a pastelor nucleare. Vânătoarea semnăturilor observaționale ale stratului de paste nucleare este un subiect de cercetare de mare interes.

Figura 2: Exemple de diferite faze de paste nucleare. Figura 3 în hârtie.

rezultate

în această lucrare, autorii efectuează simulări semi-clasice de dinamică moleculară a pastelor nucleare. Abordarea semi-clasică este justificată deoarece comportamentele relevante implică grupuri de mii de nucleoni și aceste grupuri grele pot fi tratate clasic. Efectele cuantice prezente la scări mai mici sunt introduse manual prin parametrii din modelul semi-clasic.

autorii modelează geometria și topologia structurilor complexe de paste ilustrate în Figura 2 și extrag proprietățile utile ale materialului, cum ar fi conductivitatea termică și electrică. Autorii discută despre modul în care prezența unui strat de paste la baza crustei stelelor neutronice ar putea influența observațiile fenomenelor astrofizice, cum ar fi neutrinii supernova, dezintegrarea câmpului magnetic și răcirea crustei stelelor neutronice care se acumulează.

mai sus am discutat lucrarea scrisă de Pons și colab. în care se așteaptă ca fazele de paste nucleare să conțină impurități. Impuritățile determină câmpul magnetic al stelei neutronice să se descompună peste 0,1-1 Myr, în concordanță cu populația observată de pulsari izolați cu raze X cu perioade de spin mai mici de 12 secunde. Simulările dinamicii moleculare din lucrarea de astăzi oferă dovezi care să susțină presupunerea lui Pon că pastele au un parametru de impuritate ridicat. Prin urmare, o altă piesă a puzzle-ului se potrivește și avem și mai multe motive să credem că pastele nucleare există în interiorul stelelor neutronice.

  • despre autor

despre Lisa Drummond

sunt doctorand în astrofizică cu interese în obiecte compacte și unde gravitaționale. Am studiat interioarele stelelor neutronice pentru teza mea de masterat la Universitatea din Melbourne, Australia, iar acum îmi fac doctoratul la MIT.

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată.