De richtlijnen geven aan dat neutronensterren groter kunnen zijn dan verwacht

Zeg wat je gaat doen met lood, het heeft een verrassend dikke huid, de neutronen. Volgens een nieuwe studie is de neutronenschil aan de buitenkant van de loden kern zelfs twee keer zo dik als natuurkundigen. De ogenschijnlijk mysterieuze bevinding zou gevolgen kunnen hebben buiten deze wereld: neutronensterren, de super-dichte velden die achterblijven wanneer sterren exploderen in supernova-explosies, kunnen veel stijver en groter zijn dan de theorie in het algemeen voorspelt.

“Het is een verbazingwekkende experimentele prestatie”, zegt Anna Watts, een astrofysicus aan de Universiteit van Amsterdam die neutronensterren bestudeert. “Er wordt al jaren en jaren en jaren over gesproken, en het is geweldig om het eindelijk te zien.”

De kern van een atoom bestaat uit protonen en neutronen die met elkaar zijn verbonden door een zogenaamde sterke atoomkracht. Neutronen zijn over het algemeen meer dan protonen. Niet veel, want een grote onbalans in het aantal protonen en neutronen verhoogt de interne energie van de kern en kan deze instabiel maken. De theorie voorspelt over het algemeen dat een grote kern bestaat uit een ongeveer gelijk mengsel van protonen en neutronen omgeven door een huid van zuivere neutronen.

De dikte van de huid is wat kernfysici nu hebben gemeten met behulp van het Lead Radio (Pb) Experiment (PREX) bij de Thomas Jefferson National Accelerator Facility. Om dit te doen, hebben ze veel elektronen teruggekaatst uit 208-loodkernen, de meest voorkomende isotoop van het element, die 82 protonen en 126 neutronen heeft. De negatief geladen elektronen interageren met de positief geladen protonen voornamelijk door de elektromagnetische kracht, die wordt afgebogen door de elektronen. Door deze elektromagnetische verstrooiing hebben andere natuurkundigen eerder de verdeling van protonen in loden kern 208 gemeten en ontdekt dat deze zich uitstrekt tot een straal van 5,50 Fermi, waarbij Fermi gelijk is aan één op een miljoenste van 1 nanometer.

Om neutronen te bestuderen, hebben PREX-fysici gebruik gemaakt van het feit dat elektronen kunnen interageren met zowel protonen als neutronen door de zwakke kernkracht. Zwak in vergelijking met elektromagnetische kracht, en de sterkte hangt ervan af of het inkomende elektron naar rechts draait, zoals een voetbal die door een rechter middenveld wordt gegooid, of naar links. Door deze snelheid konden PREX-onderzoekers het effect van de zwakke kracht ontdekken.

De onderzoekers vuurden een bundel elektronen af, die allemaal ongeveer op dezelfde manier ronddraaiden, op de loden kernen en bepaalden de kans dat ze onder een bepaalde hoek werden afgebogen. Vervolgens draaiden ze de elektronen om in de tegenovergestelde richting te draaien en zochten ze naar een verschil van een miljoen in de stroom van de afgebogen elektronen. Kleine asymmetrie zal het effect van de zwakke kracht aangeven, en de grootte zal de ruimtelijke diffusie van de neutronen onthullen. Natuurkundigen hebben de rotatie van elektronen 240 keer per seconde omgekeerd en ze letten erop dat de energie, intensiteit of pad van de straal niet veranderde.

De waargenomen asymmetrie geeft aan dat de loden kern een neutronenhuid heeft met een dikte van 0,28 fermi, plus of min 0,07, rapporteren PREX-onderzoekers vandaag op Fysieke beoordelingsbrieven. Deze schaal komt volledig overeen Eerdere meting gerapporteerd door het PREX-team In 2012 hebben nieuwe gegevens de onzekerheid echter met twee verminderd. De nauwkeurigere resultaten geven aan dat de neutronenomhulling van lood-208 twee keer zo dik is als theoretici hebben voorspeld en suggereren andere, minder directe experimenten. “Het dwong iedereen om hun veronderstellingen te analyseren, uit een droom van een experiment”, zegt Krishna Kumar, een natuurkundige aan de Universiteit van Massachusetts, Amherst en een woordvoerder van het PREX-team.

Uiteindelijk omvatten sommige van deze aannames de aard van neutronensterren. Hoewel de atoomkern verschillende keren minder dicht is dan een neutronenster, kan de eerste worden gebruikt om conclusies te trekken over de laatste, legt Jorge Picarevic uit, een nucleair theoreticus aan de Florida State University. Met name een dikkere neutronenhuid betekent dat neutronensterren minder samendrukbaar zijn dan veel theorieën voorspellen, zegt hij, waardoor ze groter worden. Sterker nog, in een ander artikel dat vandaag in Fysieke beoordelingsbrievenPiekarewicz en collega’s ontdekten dat het PREX-resultaat een straal tussen 13,25 en 14,25 kilometer betekent voor een normale neutronenster die 1,4 keer de massa van de zon is. De meeste theorieën geven schattingen van bijna 10 kilometer.

De kolossale afmeting is waarschijnlijk de kolossale afmeting van Cole Miller, een astronoom aan de Universiteit van Maryland, College Park, die werkt met NASA’s Neutron Star Interstructure Explorer (NICER), een röntgentelescoop op het internationale ruimtestation. Wetenschappers van NICER gebruiken het radiospectrum van een draaiende neutronenster om de grootte ervan af te leiden en zelfs de oppervlakteanomalieën in kaart te brengen. Het instrument mat de straling van twee neutronensterren 1,4 en 2,1 keer de massa van de zon, en ontdekte dat beide een straal van ongeveer 13 kilometer hebben.

Maar Miller wijst erop dat gegevens van gravitatiegolfdetectoren de voorkeur zouden kunnen geven aan kleinere, gladdere neutronensterren. In 2017 ontdekten natuurkundigen van een laserinterferometer het Gravitational Wave Observatory (LIGO) in de Verenigde Staten en Virgin Detector in Italië. Twee neutronensterren in een baan om elkaar En samenvoegen, hoogstwaarschijnlijk om een ​​zwart gat te vormen. Als neutronensterren relatief groot en solide waren, zegt Miller, zouden ze elkaar door de zwaartekracht hebben verdraaid voordat ze samenvloeiden. Maar LIGO- en Virgo-onderzoekers hebben geen enkel bewijs gezien van dergelijke getijdenvervorming in hun signalen, zegt hij.

Witold Nazarewicz, een nucleair theoreticus aan de Michigan State University, zegt echter dat het te vroeg is om bezorgd te zijn over de astrofysische implicaties van de PREX-resultaten. Hij merkt op dat het team de asymmetrie van elektronenverstrooiing meet, en de theorieën die wetenschappers gebruiken om het om te zetten in neutronenhuiddikte hebben hun eigen twijfels. Nazarovi zegt dat de waarde die het team krijgt van vooringenomenheid mogelijk in strijd is met metingen van andere belangrijke kenmerken. “Ik zou graag willen weten of alles in overeenstemming is met Management 208.”

Het verrassende PREX-resultaat zal kernfysici en astrofysici waarschijnlijk aanmoedigen om de theoretische verbanden tussen atoomkernen en neutronensterren opnieuw te onderzoeken, zegt Piekarewicz. “Het is een psychologische schok voor de samenleving.”