Kuuke's Sterrenbeelden

De typische neutronenster heeft een diameter van 22 kilometer

Dit model laat zien dat een typische neutronenster niet is groter dan een gemiddelde stad. Credit: NASA’s Goddard Space Flight Center

Een typische neutronenster heeft een doorsnede van 22 kilometer. Dat zegt een nieuw onderzoek. Het is de meest nauwkeurigste meting tot nu toe van een dergelijk massief en klein object.

Als zwarte gaten de meest extreme fenomenen in het heelal zijn dan zijn neutronensterren een hele goede nummer 2. Neutronensterren zijn de overblijfselen van een supernova explosie (het ineenstorten van een hele zware ster). Ze hebben echter onvoldoende massa om in een zwart gat te veranderen. Desalniettemin hebben ze een ongelooflijk hoge dichtheid.

Typische neutronensterren hebben een massa van ongeveer een half miljoen Aardes maar toch zijn ze niet groter dan een gemiddelde stad. Astronomen gebruiken de massa van de Zon om het gewicht van een neutronenster uit te drukken. Een standaard neutronenster heeft een massa van minimaal 1,4 zonsmassa (dit is het minimale gewicht dat een object nodig heeft om een neutronenster te worden). Recente ontdekkingen hebben die grens opgetrokken naar 2,3 zonsmassa. Is het compacte object zwaarder dan kom je binnen het bereik van een zwart gat.

Met al die materie samengepakt in een hele kleine ruimte wordt de grootte van neutronensterren heel erg beperkt. In de bollen is er nauwelijks ruimte voor beweging en dat heeft tot gevolg dat neutronensterren extreem rond zijn.

Dat gezegd hebbende, de precieze straal van een typische neutronenster met een massa van 1,4 zonsmassa is niet bekend. De schattingen variëren van 10 tot 14 kilometer. Nauwkeurige metingen van de straal van neutronensterren zijn echter wel belangrijk om goed te begrijpen hoe materie zich gedraagt bij dergelijke hoge dichtheden.

Astronomen van het Albert Einstein Instituut van het Max Planck Instituut voor Gravitationele Zwaartekracht in Hannover hebben nu een nieuwe techniek toegepast om de straal van neutronensterren met een massa van 1,4 zonsmassa te bepalen. Ze komen uit op 11 kilometer met een foutenrange van -0,6 tot +0,9 kilometer. Rekening houdende met de meetfout levert dit een diameter op tussen 20,8 en 23,8 kilometer. Het nieuwe artikel werd afgelopen week gepubliceerd in het tijdschrift Nature Astronomy.

Dit is een uitzonderlijk nauwkeurige schatting, in het bijzonder omdat voor de berekening gebruik werd gemaakt van de fuserende neutronensterren GW1708017. Astronomen gebruikten de data van de LIGO en VIRGO, die de botsing tussen deze twee neutronensterren op 17 augustus 2017 waarnamen vanaf een afstand van maar liefst 130 miljoen lichtjaar.

Deze nieuwe meting is ruwweg van dezelfde grootte orde als eerdere schattingen maar de foutenmarge is vele malen kleiner. De zogenaamde meetonzekerheid ligt een factor 2 lager dan voorheen.

Om de nieuwe grootte te kunnen berekenen maakten de onderzoekers gebruik van het complete elektromagnetische spectrum en de zwaartekrachtsgolven die door GW170817 waren geproduceerd. Ze lieten berekeningen afkomstig uit de deeltjesfysica los op deze data. Op deze manier konden ze de verschillende natuurkundige eigenschappen, zoals straal en massa, bepalen.

Het mooie van neutronensterren is dat het eigenlijk enorme experimenten van deeltjesfysica zijn die door de ruimte bewegen en die een enorme hoeveelheid bruikbare informatie uitspuwen. De uitdaging voor wetenschappers is om uit te zeken wat er eigenlijk precies gebeurt in het binnenste van deze sterren.

Neutronensterren hebben zo’n enorme dichtheid en ze zijn zo klein dat je ze zou kunnen beschouwen als een enkel atoom dat is vergroot tot de grootte van een stad. Dit betekent dat de subatomaire fysica zich manifesteert in de macroscopische eigenschappen van de ster, zoals de massa, de straal van de ster, en hoe gemakkelijk hij wordt vervormd wanneer hij wordt blootgesteld aan een extern zwaartekrachtveld.

In dit geval waren de onderzoekers in staat om te voorspellen hoe subatomaire deeltjes reageren bij de enorme dichtheden dit in het binnenste van neutronensterren voorkomen.

GW170817 is ontstaan uit de botsing van twee neutronensterren die de grootte hadden van een kleine stad en die een massa hadden van ongeveer 1,5 zonsmassa. Deze botsing vond plaats in de tijd dat de dinosauriërs nog op Aarde rondliepen. De botsing vond plaats in een sterrenstelsel op 130 miljoen lichtjaar afstand. Uit die botsing hebben astronomen inzichten gekregen over subatomaire fysica die zich afspeelt op een lengteschaal van een biljoenste kilometer. Het is verbijsterend en een bewijs van de ongelooflijke gevoeligheid die de duizenden wetenschappers die onze gravitatiegolfdetectoren en telescopen hebben gepland, gebouwd en onderhouden, hebben bereikt.

Tot nu toe is GW17087 de enige gebeurtenis waarbij deze nieuwe methode is gebruikt en dat betekent dat de systematische onnauwkeurigheden van de methode nog niet helemaal duidelijk zijn.

De beperkingen van de straal van een neutronenster kunnen minder streng worden met verschillende modelaannames, met nieuwe waarnemingen van fusies van binaire neutronensterren of wanneer supermassieve neutronensterren met een massa van 2,3 zonsmassa worden gebruikt in de berekeningen. Dat neemt niet weg dat de schatting van 22 kilometer heel goed overeenkomt met eerdere schattingen. Het effent bovendien in de nabije toekomst de weg waar astronomen veel meer waarnemingen van fusies van binaire neutronensterren kunnen verwachten.

Het onderzoek geeft ook enkele voorspellingen voor astronomen op het gebied van wat ze kunnen verwachten niet waar te nemen.

In het bijzonder geven de onderzoekers aan dat fusies van zwarte gaten met neutronensterren, waarbij die neutronensterren uit elkaar worden getrokken, zelden door astronomen zullen worden gezien. Vaker zullen neutronensterren door zwarte gaten in hun geheel worden opgeslokt. Voor astronomen betekent dit dat de niet hoeven te verwachten dat ze in het elektromagnetische deel van het spectrum veel van deze gebeurtenissen zullen waarnemen. Dergelijke gebeurtenissen kunnen alleen met behulp van zwaartekrachtsgolven worden bestudeerd.

Concreet zeggen de auteurs dat fusies met zwarte gaten en neutronensterren, waarin neutronensterren uit elkaar worden gescheurd, zelden door astronomen zullen worden gezien. Vaker worden neutronensterren in hun geheel opgeslokt. Voor astronomen betekent dit dat ze niet mogen verwachten dat ze veel van deze gebeurtenissen in het elektromagnetische spectrum zullen detecteren, maar in plaats daarvan als zwaartekrachtsgolven.

Volgens de onderzoekers is het, gezien vanuit de waarnemer teleurstellend om te horen dat fusies van zwarte gaten en neutronensterren zelden zijn waar te nemen in het elektromagnetische spectrum. Maar dat hoort bij de wetenschap zeggen ze.

Artikel: Stringent constraints on neutron-star radii from multimessenger observations and nuclear theory

 

Eerste publicatie: 14 maart 2020
Bron: diverse persberichten

 

 




Exit mobile version