Kärnpasta i neutronstjärnor

Titel: Astromaterial vetenskap och Kärnpasta

författare: Me Caplan, CJ Horowitz

första författarens Institution: Indiana University, USA

Status: arXiv.org, open access

inuti en neutronstjärna

neutronstjärnor är de tätaste objekten i universum. Naturligtvis är saken inuti dem exotisk och till skillnad från vad som helst på jorden — föreställ dig att krossa solens massa i en stjärna bara 10 km över! Som man kan gissa från deras namn består neutronstjärnor av mestadels neutroner, med en liten del av elektroner och protoner som också bidrar till deras massa. En neutronstjärna kan betraktas som analog med en jätte atomkärna, bunden av gravitationskrafter snarare än den starka kraften. Under trycket som utövas av tyngdkraften komprimeras Materia till samma densitet som atomkärnorna; egenskaper hos högdensitetsmaterialet i neutronstjärnor diskuteras i denna bit.

nu, låt oss visualisera fallande genom skorpan av en neutronstjärna. Figur 1 ger en schematisk bild av de stratifierade skikten vi stöter på under vår nedstigning. I den yttre skorpan kombineras neutroner i kärnor som bildar en fast gitter. När vi går djupare ner i skorpan blir kärnorna alltmer jätte och neutronrika. Utöver en viss storlek börjar neutronerna överfalla från kärnorna och droppa ut och bilda ett hav av fria neutroner där kärngitteret är nedsänkt. Detta betyder vår övergång till den inre skorpan. Här, vid botten av skorpan (eller ”manteln”), upptäcker vi de invecklade kärnstrukturer som dagens papper handlar om. Vanligtvis förväntar vi oss att kärnorna är sfäriska, men här deformeras och smälter kärnorna och bildar kluster av exotiska former som kallas ”kärnpasta”. Utöver denna punkt går vi in i kärnan i stjärnan där vi hittar enhetlig kärnämne: en neutron superfluid (ett ämne som flyter utan friktion) samexisterar med en proton superledare (ett material som leder elektricitet utan motstånd).

Figur 1: (A) struktur av en neutronstjärna. Symbolerna N, n, p, e, 2 motsvarar kärnor, flytande neutroner och protoner, elektroner respektive muoner. (B) sammansättning av den inre skorpan hos en neutronstjärna. Källa: https://compstar.uni-frankfurt.de/outreach/short-articles/the-nuclear-pasta-phase/

Kärnpasta

under de extrema förhållandena med hög densitet inuti en neutronstjärna ger konkurrensen mellan kärnkraftsattraktion och Coulomb-repulsion exotiska strukturer som kallas kärnpasta. Ravenhall, Pethick och Wilson var de första som undersökte dessa ovanliga konfigurationer av kärnämne. Kärnpasta kännetecknas av komplexa, icke-sfäriska mönster som rör, ark och bubblor; dessa konfigurationer minimerar deras energi (se Figur 2). Namnet ”kärnpasta” uppstod på grund av likhet med olika pastasorter — som lasagne, gnocchi och spagetti!

för närvarande bygger vår förståelse av kärnpasta i neutronstjärnor till stor del på teoretiska beräkningar. Det finns emellertid vissa observationsbevis som stöder förekomsten av kärnpasta i skorpan. Till exempel postulerar Pons, Vigano och Rea att pastafasen begränsar den maximala spinnperioden för roterande neutronstjärnor (pulsarer). De föreslår att frånvaron av isolerade Röntgenpulsarer med spinnperioder större än 12 sekunder kan vara observationsbevis för kärnpasta. Jakt efter observationssignaturer av kärnpastaskiktet är ett forskningsämne av stort intresse.

Figur 2: Exempel på olika kärnpastafaser. Figur 3 i papper.

resultat

i detta dokument utför författarna halvklassiska molekyldynamiksimuleringar av kärnpasta. Det semi-klassiska tillvägagångssättet är motiverat eftersom relevanta beteenden involverar kluster av tusentals nukleoner och dessa tunga kluster kan behandlas klassiskt. Kvanteffekterna som finns i mindre skalor sätts in för hand genom parametrarna i den halvklassiska modellen.

författarna modellerar geometrin och topologin hos de komplexa pastastrukturerna som visas i Figur 2 och extraherar användbara egenskaper hos materialet, såsom termisk och elektrisk ledningsförmåga. Författarna diskuterar hur närvaron av ett pastaskikt vid basen av neutronstjärnskorpan kan påverka observationer av astrofysiska fenomen som supernova neutrinos, magnetfältförfall och skorpkylning av accreting neutronstjärnor.

ovan diskuterade vi papperet skrivet av Pons et al. i vilka kärnpastafaser förväntas innehålla föroreningar. Föroreningarna gör att neutronstjärnans magnetfält förfaller över 0,1-1 Myr, vilket överensstämmer med den observerade populationen av isolerade Röntgenpulsarer med snurrperioder mindre än 12 sekunder. Molekyldynamiksimuleringar i dagens papper ger bevis för att stödja Pons antagande att pastan har en hög föroreningsparameter. Därför passar en annan pusselbit ihop och vi har ännu mer anledning att tro att kärnpasta finns i neutronstjärnor.

  • om författaren

om Lisa Drummond

jag är doktorand i astrofysik med intresse för kompakta objekt och gravitationsvågor. Jag studerade neutron star interiors för min magisteruppsats vid University of Melbourne, Australien och nu gör jag min doktorsexamen vid MIT.

Lämna ett svar

Din e-postadress kommer inte publiceras.