Makaron jądrowy w gwiazdach neutronowych

Tytuł: Astromaterial Science and Nuclear Pasta

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

instytucja pierwszego autora: Indiana University, USA

Status: arXiv.org, otwarty dostęp

wewnątrz gwiazdy neutronowej

gwiazdy neutronowe są najgęstszymi obiektami we wszechświecie. Naturalnie, Materia wewnątrz nich jest egzotyczna i niepodobna do niczego na Ziemi-wyobraźcie sobie zgniatanie masy naszego Słońca w gwiazdę o średnicy zaledwie 10 km! Jak można się domyślić z ich nazwy, gwiazdy neutronowe składają się głównie z neutronów, a niewielka część elektronów i protonów również przyczynia się do ich masy. Gwiazdę neutronową można uznać za analogiczną do olbrzymiego jądra atomowego, związanego raczej siłami grawitacyjnymi niż silnymi. Pod ciśnieniem wywieranym przez grawitację Materia jest sprężana do tej samej gęstości co jądra atomów; właściwości materii o wysokiej gęstości w gwiazdach neutronowych są omawiane w tym ukąszeniu.

teraz wyobraźmy sobie schodzenie przez skorupę gwiazdy neutronowej. Rysunek 1 przedstawia schemat warstw, które napotykamy podczas zejścia. W skorupie zewnętrznej neutrony łączą się w jądra, które tworzą stałą siatkę. Gdy zanurzamy się głębiej w skorupie, jądra stają się coraz bardziej olbrzymie i bogate w neutrony. Poza pewnym rozmiarem neutrony zaczynają wypływać z jąder i kapać, tworząc ocean wolnych neutronów, w którym zanurzona jest sieć jąder. Oznacza to nasze przejście do skorupy wewnętrznej. Tutaj, u podstawy skorupy (lub „płaszcza”), odkrywamy skomplikowane struktury jądrowe, którymi zajmuje się dzisiejszy papier. Zwykle spodziewamy się, że jądra są kuliste, ale tutaj jądra deformują się i łączą, tworząc skupiska egzotycznych kształtów zwanych „nuklearnym makaronem”. Poza tym punktem wchodzimy do jądra gwiazdy, gdzie znajdujemy jednolitą materię jądrową: nadciekły Neutron (substancja, która płynie bez tarcia) współistnieje z nadprzewodnikiem protonowym (materiałem przewodzącym elektryczność bez oporu).

Rysunek 1: (A) struktura gwiazdy neutronowej. Symbole N, n, p, e, μ odpowiadają odpowiednio jądrom, neutronom płynnym i protonom, elektronom i mionom. B) skład skorupy wewnętrznej gwiazdy neutronowej. Źródło: https://compstar.uni-frankfurt.de/outreach/short-articles/the-nuclear-pasta-phase/

makaron jądrowy

w ekstremalnych warunkach wysokiej gęstości wewnątrz gwiazdy neutronowej, konkurencja między przyciąganiem jądrowym a odpychaniem kulomba daje egzotyczne struktury zwane makaronem jądrowym. Ravenhall, Pethick i Wilson jako pierwsi zbadali te nietypowe konfiguracje materii jądrowej. Makaron jądrowy charakteryzuje się złożonymi, nie sferycznymi wzorami, takimi jak rury, arkusze i pęcherzyki; konfiguracje te minimalizują ich energię (patrz rysunek 2). Nazwa „nuclear pasta” powstała ze względu na podobieństwo do różnych odmian makaronu — takich jak lasagne, gnocchi i spaghetti!

obecnie nasze rozumienie makaronu jądrowego w gwiazdach neutronowych w dużej mierze opiera się na obliczeniach teoretycznych. Istnieją jednak pewne dowody obserwacyjne, które potwierdzają istnienie makaronu jądrowego w skorupie. Na przykład Pons, Vigano i Rea postulują, że faza makaronu ogranicza maksymalny okres wirowania wirujących gwiazd neutronowych (pulsarów). Sugerują one, że brak izolowanych pulsarów rentgenowskich o okresach wirowania większych niż 12 sekund może być obserwacyjnym dowodem makaronu jądrowego. Polowanie na sygnatury obserwacyjne warstwy makaronu jądrowego jest tematem badawczym o dużym zainteresowaniu.

Rysunek 2: przykłady różnych faz makaronu jądrowego. Rysunek 3 na papierze.

wyniki

w niniejszej pracy autorzy przeprowadzają półklasyczne symulacje dynamiki molekularnej makaronu jądrowego. Podejście półklasyczne jest uzasadnione, ponieważ odpowiednie zachowania obejmują klastry tysięcy nukleonów, a te ciężkie klastry można traktować klasycznie. Efekty kwantowe obecne w mniejszych skalach są wprowadzane ręcznie poprzez parametry w modelu półklasycznym.

autorzy modelują geometrię i topologię złożonych struktur makaronu przedstawionych na rysunku 2 i wyodrębniają użyteczne właściwości materiału, takie jak przewodność cieplna i elektryczna. Autorzy omawiają, w jaki sposób obecność warstwy makaronu u podstawy skorupy gwiazdy neutronowej może wpływać na obserwacje zjawisk astrofizycznych, takich jak neutrina supernowe, rozpad pola magnetycznego i ochłodzenie skorupy akreujących gwiazd neutronowych.

powyżej omówiliśmy artykuł napisany przez Ponsa et al. w których oczekuje się, że fazy makaronu jądrowego zawierają zanieczyszczenia. Zanieczyszczenia powodują rozpad pola magnetycznego gwiazdy neutronowej o wartości 0,1-1 Mir, co odpowiada obserwowanej populacji izolowanych pulsarów rentgenowskich o okresach wirowania krótszych niż 12 sekund. Symulacje dynamiki molekularnej w dzisiejszym artykule dostarczają dowodów na poparcie założenia Pon, że makaron ma wysoki parametr zanieczyszczenia. Dlatego kolejny element układanki pasuje do siebie i mamy jeszcze więcej powodów, by wierzyć, że nuklearny makaron istnieje wewnątrz gwiazd neutronowych.

  • o autorze

o Lisie Drummond

jestem doktorantką astrofizyki z zainteresowaniami zwartymi obiektami i falami grawitacyjnymi. Studiowałem wnętrza gwiazd neutronowych do mojej pracy magisterskiej na Uniwersytecie w Melbourne w Australii, a teraz robię Doktorat na MIT.

Dodaj komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany.