Astronomi

Apakah bintang neutron memiliki ergosfer?

Apakah bintang neutron memiliki ergosfer?

Ergospheres adalah properti lubang hitam, dan apakah bintang neutron memilikinya? Jika ya, mengapa artikel jarang menyebutkan hal itu; jika tidak, mengapa bintang neutron tidak memiliki komponen ergosfer ini?


Bintang neutron umumnya tidak cukup kompak untuk memiliki ergosfer. Biasanya, jari-jari bintang neutron beberapa kali jari-jari Schwarzschild sesuai dengan massanya. Namun ergosphere dimulai pada radius Schwarzschild.


Bintang Neutron dan Persamaannya dengan Lubang Hitam

Untuk astrofisikawan bintang neutron adalah objek astronomi yang sangat kompleks. Penelitian yang dilakukan dengan kolaborasi SISSA dan diterbitkan dalam jurnal Physical Review Letters menunjukkan bahwa dalam beberapa hal tertentu bintang-bintang ini dapat digambarkan dengan sangat sederhana dan menunjukkan kemiripan dengan lubang hitam.

Dalam berapa banyak cara seseorang dapat menggambarkan suatu objek? Ambil sebuah apel: hanya dengan melihatnya, kita dapat dengan mudah memperkirakan berat, bentuk, dan warnanya, tetapi kita tidak dapat menggambarkannya pada tingkat lain, misalnya, untuk mengevaluasi komposisi kimia dagingnya. Hal serupa juga berlaku untuk objek astronomi: hingga saat ini salah satu tantangan yang dihadapi para ilmuwan adalah mendeskripsikan bintang neutron pada tingkat fisika nuklir. Materi penyusun bintang-bintang ini sebenarnya sangat kompleks, dan beberapa persamaan keadaan yang rumit telah diusulkan. Namun, sampai saat ini tidak ada kesepakatan tentang mana yang benar (atau yang terbaik). Sebuah studi teoretis yang dilakukan oleh SISSA (Sekolah Internasional untuk Studi Lanjutan Trieste,) bekerja sama dengan Universitas Athena, telah menunjukkan bahwa bintang-bintang neutron juga dapat dijelaskan dalam istilah yang relatif sederhana, dengan mengamati struktur ruang-waktu di sekitarnya.

“Bintang neutron adalah objek kompleks karena materi yang menyusunnya. Kita dapat membayangkan mereka sebagai inti atom yang sangat besar dengan radius sekitar sepuluh kilometer,” jelas Georgios Pappas, penulis pertama studi yang dilakukan di SISSA. “Bintang neutron adalah apa yang tersisa dari keruntuhan bintang masif: materi di dalamnya sangat padat dan sebagian besar terdiri dari neutron.”

“Fisika nuklir yang diperlukan untuk memahami sifat materi yang terkandung dalam objek astronomi ini umumnya membuat deskripsi mereka sangat rumit dan sulit untuk dirumuskan,” lanjut Pappas. “Apa yang telah kami tunjukkan, dengan menggunakan metode numerik, adalah bahwa ada sifat yang dapat memberikan deskripsi beberapa aspek bintang neutron dan ruang waktu di sekitarnya dengan cara yang sederhana, mirip dengan deskripsi yang digunakan untuk lubang hitam.”

Lubang hitam adalah objek yang benar-benar unik: mereka telah kehilangan semua materi dan hanya terdiri dari ruang dan waktu. Sama seperti bintang-bintang neutron, mereka adalah hasil dari runtuhnya bintang yang lebih besar (dalam hal ini jauh lebih besar daripada bintang-bintang yang memunculkan bintang-bintang neutron) dan dalam ledakan itu semua materi telah tersapu bersih. “Mereka dianggap sebagai objek paling sempurna di Semesta dan ungkapan 'tidak berbulu' yang diciptakan oleh John Archibald Wheeler untuk menunjukkan kesederhanaan mereka telah menjadi terkenal. Menurut perhitungan kami, bahkan bintang neutron dapat digambarkan dengan cara yang sangat mirip.”

Para ilmuwan menggunakan "momen multipole" sebagai parameter untuk menggambarkan objek. Momen yang diperlukan untuk menggambarkan lubang hitam adalah dua, massa dan momentum sudut (kecepatan di mana ia berputar di sekitar porosnya.) Untuk bintang neutron diperlukan tiga momen: massa, momentum sudut dan momen kuadrupol, yaitu, koefisien yang menggambarkan deformasi objek yang dihasilkan oleh rotasinya.

“Perhitungan kami mengungkapkan dua temuan tak terduga. Pertama, kami menemukan bahwa ketiga parameter ini cukup karena momen tingkat yang lebih tinggi tidak independen dan dapat diturunkan dari tiga yang pertama, ”jelas Pappas. “Temuan mengejutkan kedua adalah bahwa deskripsi berdasarkan parameter ini tidak bergantung pada persamaan persamaan keadaan, atau lebih tepatnya: kita bahkan tidak perlu tahu yang mana persamaan keadaan.”

Dalam praktiknya, kita dapat memiliki deskripsi bintang neutron yang tidak bergantung pada materi yang membentuknya. “Ini memiliki implikasi besar,” Pappas menyimpulkan. “Faktanya, dengan menggunakan data yang dikumpulkan dengan pengamatan astrofisika, misalnya, radiasi yang dipancarkan oleh bintang neutron, atau informasi tentang objek gravitasi di sekitar bintang, atau informasi lain, kita dapat merekonstruksi fitur bintang neutron.”

Publikasi: Diterima untuk diterbitkan dalam Physical Review Letters


Mengapa Bintang Neutron, Bukan Lubang Hitam, Menunjukkan Masa Depan Astronomi Gelombang Gravitasi

Pada saat-saat terakhir penggabungan, dua bintang neutron tidak hanya memancarkan gelombang gravitasi, tetapi juga . [+] ledakan dahsyat yang menggema di seluruh spektrum elektromagnetik.

Universitas Warwick / Mark Garlick

Pada 17 Agustus, sinyal dari dua bintang neutron yang bergabung mencapai Bumi setelah menempuh perjalanan 130 juta tahun cahaya. Setelah 11 miliar tahun menari, sisa-sisa bintang biru yang dulu sangat besar yang mati dalam supernova yang sudah lama sekali berputar menjadi satu sama lain setelah memancarkan radiasi gravitasi yang cukup untuk melihat orbitnya meluruh. Saat masing-masing bergerak melalui ruang-waktu yang berubah yang diciptakan oleh medan gravitasi dan gerakan yang lain, momentumnya berubah, menyebabkan dua massa mengorbit satu sama lain lebih dekat dari waktu ke waktu. Akhirnya, mereka bertemu, dan ketika mereka bertemu, mereka mengalami reaksi bencana: satu kilonova. Untuk pertama kalinya, kami merekam inspirasi dan penggabungan di langit gelombang gravitasi, memperhatikannya di ketiga detektor (LIGO Livingston, LIGO Hanford, dan Virgo), serta di langit elektromagnetik, dari sinar gamma sepanjang jalan. melalui optik dan ke radio. Akhirnya, astronomi gelombang gravitasi sekarang menjadi bagian dari astronomi.

Dari sistem bintang neutron biner pertama yang pernah ditemukan, kita tahu bahwa radiasi gravitasi . [+] membawa energi pergi. Hanya masalah waktu sebelum kami menemukan sistem di tahap akhir inspirasi dan merger.

NASA (kiri), Institut Max Planck untuk Astronomi Radio / Michael Kramer

Kami tahu ini harus terjadi pada akhirnya. Bintang-bintang neutron memiliki massa yang sangat besar, masing-masing diperkirakan melebihi massa Matahari, dan ukurannya sangat kecil. Bayangkan sebuah inti atom yang tidak mengandung segelintir, beberapa lusin, atau bahkan beberapa ratus proton dan neutron di dalamnya, melainkan senilai bintang: 10 57 di antaranya. Benda-benda luar biasa ini menyapu ruang angkasa, lebih cepat dan lebih cepat, saat struktur ruang itu sendiri menekuk dan memancar karena kehadiran timbal balik mereka. Pulsar dalam sistem biner menyatu, dan pada tahap paling akhir dari inspirasi, ketegangan yang mereka berikan pada detektor yang bahkan berjarak seratus juta tahun cahaya dapat dideteksi. Kami telah melihat bukti tidak langsung selama beberapa dekade: peluruhan orbit timbal balik mereka. Tetapi bukti langsung, yang sekarang tersedia, mengubah segalanya.

Ketegangan pada detektor, dari inspirasi dua bintang neutron, dapat dilihat dengan jelas bahkan . [+] terlihat dari detektor LIGO kembar. Detektor Virgo yang kurang sensitif juga memberikan informasi lokasi yang sangat akurat.

B.P. Abbott dkk., PRL 119, 161101 (2017)

Setiap kali gelombang ini melewati detektor Anda, mereka menyebabkan lengan laser sedikit melebar dan berkontraksi. Karena sistem bintang neutron sangat dapat diprediksi, meluruh dengan laju yang diprediksi oleh persamaan Einstein, kita tahu persis bagaimana frekuensi dan amplitudo inspirasi seharusnya berperilaku. Tidak seperti sistem lubang hitam bermassa lebih tinggi, frekuensi sistem bermassa rendah ini berada dalam kisaran yang dapat dideteksi dari detektor LIGO dan Virgo untuk periode waktu yang lebih lama. Sementara sebagian besar penggabungan lubang hitam-lubang hitam terdaftar di detektor LIGO hanya sepersekian detik, bintang-bintang neutron ini, bahkan pada jarak lebih dari 100 juta tahun cahaya, sinyalnya terdeteksi selama hampir setengah menit!

Gambar ini menunjukkan rekonstruksi empat yakin dan satu kandidat (LVT151012) gravitasi. [+] sinyal gelombang terdeteksi oleh LIGO dan Virgo hingga saat ini, termasuk deteksi lubang hitam terbaru GW170814 (yang diamati pada ketiga detektor).

LIGO/Virgo/B. Farr (Universitas Oregon)

Kali ini, satelit sinar gamma Fermi mendeteksi ledakan sementara, konsisten dengan kilonova yang terlihat sebelumnya, hanya 1,7 detik setelah kedatangan "kicauan" terakhir dari sinyal gelombang gravitasi. Pada saat 11 jam telah berlalu, tim LIGO/Virgo telah menunjukkan dengan tepat area di langit dengan ukuran hanya 28 derajat persegi: wilayah terlokalisasi terkecil yang pernah terlihat. Meskipun sinyal bintang neutron jauh lebih kuat daripada sinyal lubang hitam, fakta bahwa detektor telah menangkap begitu banyak orbit memberi tim sinyal terkuat hingga saat ini: rasio sinyal terhadap noise lebih dari 32!

Dengan menambahkan data dari detektor Virgo, meskipun rasio signal-to-noise rendah, kami . [+] mampu membuat deteksi presisi terbesar dari sumber gelombang gravitasi sepanjang masa.

B.P. Abbott dkk., PRL 119, 161101 (2017)

Dengan mengetahui di mana sinyal ini berada, kami kemudian dapat melatih teleskop optik, inframerah, dan radio terbesar kami di situs ini di langit, di mana galaksi NGC 4993 berada (pada jarak yang benar). Selama dua minggu berikutnya, kami melihat pasangan elektromagnetik dari sumber gelombang gravitasi, dan sisa-sisa semburan sinar gamma yang dilihat Fermi. Untuk pertama kalinya, kami telah mengamati penggabungan bintang neutron dalam gelombang gravitasi dan di seluruh spektrum cahaya, membenarkan apa yang telah diduga oleh para ahli teori dengan cara yang spektakuler: bahwa di sinilah sebagian besar elemen terberat di Semesta berasal.

Hanya beberapa jam setelah sinyal gelombang gravitasi tiba, teleskop optik dapat mengasahnya. [+] galaksi rumah bagi penggabungan, menyaksikan lokasi ledakan menjadi cerah dan memudar secara praktis waktu nyata.

P.S. Cowperthwaite / E. Berger / DECam

Tetapi juga dikodekan dalam penggabungan ini adalah beberapa fakta luar biasa yang mungkin tidak Anda sadari fakta yang menunjukkan jalan ke masa depan astronomi gelombang gravitasi.

1.) Bintang neutron biner hampir tidak berputar sama sekali! Secara terpisah, bintang neutron dapat menjadi beberapa objek yang berputar paling cepat di Semesta, hingga persentase yang signifikan dari kecepatan cahaya. Rotasi tercepat lebih dari 700 kali per detik. tetapi tidak dalam sistem biner! Kehadiran dekat massa besar lainnya berarti bahwa gaya pasang surut besar, dan karenanya gesekan satu benda yang berputar pada benda lain menyebabkan keduanya melambat. Pada saat mereka bergabung, tidak satu pun dapat berputar pada kecepatan yang cukup besar, memungkinkan kita untuk membatasi parameter orbital dari sinyal gelombang gravitasi dengan sangat ketat.

Beberapa parameter terpenting dari penggabungan sistem gelombang gravitasi dilaporkan cukup. [+] tepatnya, karena sifat sistem bintang neutron yang tidak berputar.

B.P. Abbott dkk., PRL 119, 161101 (2017)

2.) Setidaknya material senilai 28 massa Jupiter diubah menjadi energi melalui E = mc2 . Kami belum pernah melihat penggabungan bintang neutron-bintang neutron dalam gelombang gravitasi sebelumnya. Dalam sistem lubang hitam-lubang hitam dengan massa setara, hingga 5% dari total massa diubah menjadi energi. Dalam sistem bintang neutron, diperkirakan akan lebih kecil, karena tumbukan terjadi antara inti, bukan antara singularitas, kedua massa tidak dapat sedekat itu. Namun, setidaknya 1% dari total massa diubah menjadi energi murni melalui kesetaraan massa-energi Einstein, jumlah energi yang sangat mengesankan dan besar!

Semua partikel tak bermassa bergerak dengan kecepatan cahaya, termasuk foton, gluon, dan gravitasi. [+] gelombang, yang masing-masing membawa interaksi elektromagnetik, nuklir kuat, dan gravitasi.

NASA/Universitas Negeri Sonoma/Aurore Simonnet

3.) Gelombang gravitasi bergerak persis dengan kecepatan cahaya! Sebelum deteksi ini, kami tidak pernah memiliki gelombang gravitasi dan sinyal cahaya yang dapat diidentifikasi secara bersamaan untuk dibandingkan satu sama lain. Setelah perjalanan 130 juta tahun cahaya, sinyal elektromagnetik pertama dari deteksi ini tiba hanya 1,7 detik setelah puncak sinyal gelombang gravitasi. Itu berarti, paling banyak, perbedaan antara kecepatan gravitasi dan kecepatan cahaya adalah sekitar 0,12 mikron-per-detik, atau 0,00000000000004%. Diperkirakan bahwa kedua kecepatan ini sama persis, dan penundaan sinyal cahaya berasal dari fakta bahwa reaksi penghasil cahaya di bintang neutron membutuhkan waktu satu atau dua detik untuk mencapai permukaan.

Galaksi NGC 4993, yang terletak 130 juta tahun cahaya jauhnya, telah dicitrakan berkali-kali sebelumnya. Tapi . [+] tepat setelah deteksi gelombang gravitasi pada 17 Agustus 2017, sumber cahaya transien baru terlihat: padanan optik dari penggabungan bintang neutron-bintang neutron.

P.K. Blanchard / E. Berger / Pan-STARRS / DECam

4.) Waktu respons yang lebih cepat dimungkinkan! Saat pertama kali kami menemukan tempat tiga dimensi di langit tempat sinyal elektromagnetik berada, dua belas jam telah berlalu. Tentu, kami dapat mengamati rekan optik dengan segera, tetapi akan lebih baik untuk masuk ke lantai dasar. Seiring dengan peningkatan analisis otomatis, serta sinkronisasi ketiga detektor, semakin baik yang akan kami lakukan. Selama beberapa tahun mendatang, LIGO akan menjadi sedikit lebih sensitif, Virgo akan bekerja lebih baik, dan dua detektor tambahan seperti LIGO, KAGRA di Jepang dan LIGO-India, akan online. Alih-alih setengah hari, kita mungkin akan segera berbicara tentang waktu respons dalam hitungan menit atau bahkan detik.

Di tanah, suara 'kesalahan' di detektor LIGO Livingston berarti bahwa perangkat lunak otomatis . [+] gagal mengekstrak sinyal, membutuhkan intervensi manual.

B.P. Abbott dkk., PRL 119, 161101 (2017)

5.) Pergi ke luar angkasa akan menjadi yang terakhir dalam pengamatan gelombang gravitasi. Di sini, di tanah, sebagian alasan mengapa butuh waktu lama untuk menemukan lokasinya adalah karena di Livingston, LA, ada kesalahan "kebisingan": sesuatu menyebabkan detektor di tanah bergetar. Akibatnya, perangkat lunak otomatis tidak dapat mengekstrak sinyal yang sebenarnya, dan diperlukan intervensi manual. Tim LIGO-Virgo melakukan pekerjaan yang luar biasa, tetapi jika detektor ini berada di luar angkasa, ini bahkan tidak akan menjadi masalah sejak awal. Tidak ada suara seismik di jurang ruang antarplanet.

Bintang-bintang neutron, ketika mereka bergabung, dapat menunjukkan gelombang gravitasi dan sinyal elektromagnetik. [+] secara bersamaan, tidak seperti lubang hitam.

Dana Berry / Skyworks Digital, Inc.

Tidak seperti penggabungan lubang hitam, inspirasi dan penggabungan bintang neutron:

  • Dapat dilihat untuk waktu yang lebih lama, karena massanya yang rendah,
  • Akan memancarkan rekan elektromagnetik, memungkinkan langit gravitasi dan elektromagnetik untuk bersatu,
  • Jauh lebih banyak, dengan satu-satunya alasan kita melihat lebih banyak lubang hitam adalah karena jangkauannya yang lebih jauh,
  • Dan dapat digunakan untuk mempelajari informasi tentang Semesta, seperti kecepatan gravitasi, yang tidak dapat diajarkan oleh lubang hitam kepada kita.

Penundaan sekitar 11 jam dari penggabungan ke tanda tangan optik dan inframerah pertama bukan karena fisika, tetapi karena keterbatasan instrumental kami sendiri di sini. Saat teknik analisis kami meningkat, dan lebih banyak peristiwa ditemukan, kami akan mempelajari dengan tepat berapa lama waktu yang dibutuhkan sebelum tanda cahaya tampak dibuat oleh penggabungan bintang neutron-bintang neutron.

Akhirnya, asal usul unsur-unsur berat dipastikan bahwa kecepatan gravitasi diketahui secara pasti dan gelombang gravitasi dan langit elektromagnetik adalah satu. Setiap orang yang meragukan LIGO sekarang memiliki konfirmasi independen yang telah mereka teriakkan, dan tidak ada ambiguitas yang tersisa. Masa depan astronomi termasuk gelombang gravitasi, dan masa depan itu ada di sini, hari ini. Selamat, satu dan semua. Hari ini, seluruh Bumi adalah penerima manfaat dari pengetahuan yang luar biasa ini.


Para astronom melihat bintang neutron bertabrakan yang mungkin telah membentuk magnetar

Semburan cahaya sinar gamma di galaksi lain (ditunjukkan dalam ilustrasi seorang seniman) mengisyaratkan bahwa bintang neutron yang bertabrakan menghasilkan magnetar.

Bagikan ini:

1 Desember 2020 pukul 8:00 pagi

Ledakan kosmik yang sangat terang mungkin telah menandai lahirnya magnetar. Jika demikian, ini akan menjadi pertama kalinya para astronom menyaksikan pembentukan mayat bintang yang berputar cepat dan sangat magnetis ini.

Kilatan cahaya yang menyilaukan itu terjadi ketika dua bintang neutron bertabrakan dan bergabung menjadi satu objek besar, lapor para astronom dalam edisi mendatang. Jurnal Astrofisika. Meskipun cahaya yang sangat terang bisa berarti magnetar diproduksi, penjelasan lain mungkin terjadi, kata para peneliti.

Ahli astrofisika Wen-fai Fong dari Northwestern University di Evanston, Illinois, dan rekan-rekannya pertama kali melihat lokasi tabrakan bintang neutron sebagai semburan sinar gamma yang terdeteksi dengan Neil Gehrels Swift Observatory NASA yang mengorbit pada 22 Mei. Pengamatan lanjutan di Sinar-X, panjang gelombang cahaya tampak dan inframerah menunjukkan bahwa sinar gamma disertai dengan pancaran karakteristik yang disebut kilonova.

Kilonova diperkirakan terbentuk setelah dua bintang neutron, inti ultrapadat dari bintang mati, bertabrakan dan bergabung. Penggabungan itu menyemprotkan material kaya neutron “tidak terlihat di tempat lain di alam semesta” di sekitar lokasi tabrakan, kata Fong. Bahan itu dengan cepat menghasilkan unsur-unsur berat yang tidak stabil, dan unsur-unsur itu segera meluruh, memanaskan awan neutron dan membuatnya bersinar dalam cahaya optik dan inframerah (SN: 23/10/19).

Para astronom berpikir bahwa kilonova terbentuk setiap kali sepasang bintang neutron bergabung. Tetapi penggabungan menghasilkan cahaya lain yang lebih terang juga, yang dapat membanjiri sinyal kilonova. Akibatnya, para astronom hanya melihat satu kilonova definitif sebelumnya, pada Agustus 2017, meskipun ada kandidat potensial lainnya (SN: 16/10/17).

Cahaya yang dilihat tim Fong, bagaimanapun, membuat kilonova 2017 malu. "Ini berpotensi kilonova paling bercahaya yang pernah kita lihat," katanya. “Ini pada dasarnya mematahkan pemahaman kita tentang luminositas dan kecerahan yang seharusnya dimiliki oleh kilonova.”

Perbedaan terbesar dalam kecerahan adalah cahaya inframerah, diukur oleh Teleskop Luar Angkasa Hubble sekitar 3 dan 16 hari setelah ledakan sinar gamma. Cahaya itu 10 kali lebih terang dari cahaya inframerah yang terlihat pada penggabungan bintang neutron sebelumnya.

“Itu adalah momen yang benar-benar membuka mata, dan saat itulah kami bergegas mencari penjelasan,” kata Fong. “Kami harus menemukan sumber [energi] tambahan yang meningkatkan kilonova itu.”

Penjelasan favoritnya adalah bahwa tabrakan itu menghasilkan magnetar, yang merupakan jenis bintang neutron. Biasanya, ketika bintang-bintang neutron bergabung, bintang mega-neutron yang mereka hasilkan terlalu berat untuk bertahan hidup. Hampir seketika, bintang itu menyerah pada gaya gravitasi yang kuat dan menghasilkan lubang hitam.

Tetapi jika bintang neutron supermasif berputar dengan cepat dan bermuatan magnetis tinggi (dengan kata lain, adalah magnetar), ia dapat menyelamatkan dirinya dari keruntuhan. Baik dukungan dari rotasinya sendiri dan membuang energi, dan dengan demikian beberapa massa, ke dalam awan kaya neutron di sekitarnya dapat mencegah bintang berubah menjadi lubang hitam, para peneliti menyarankan. Energi ekstra itu pada gilirannya akan membuat awan mengeluarkan lebih banyak cahaya — cahaya inframerah ekstra yang terlihat oleh Hubble.

Mendaftar Untuk Yang Terbaru dari Berita Sains

Judul dan ringkasan terbaru Berita Sains artikel, dikirim ke kotak masuk Anda

Tapi ada penjelasan lain yang mungkin untuk cahaya ekstra terang, kata Fong. Jika bintang-bintang neutron yang bertabrakan menghasilkan lubang hitam, lubang hitam itu dapat meluncurkan pancaran plasma bermuatan yang bergerak hampir dengan kecepatan cahaya (SN: 22/2/19). Rincian tentang bagaimana jet berinteraksi dengan bahan kaya neutron di sekitar lokasi tabrakan juga bisa menjelaskan cahaya kilonova ekstra, katanya.

Jika magnetar diproduksi, "itu bisa memberi tahu kita sesuatu tentang stabilitas bintang neutron dan seberapa masif mereka bisa terbentuk," kata Fong. “Kami tidak tahu massa maksimum bintang neutron, tetapi kami tahu bahwa dalam banyak kasus mereka akan runtuh menjadi lubang hitam [setelah penggabungan]. Jika sebuah bintang neutron benar-benar bertahan, itu memberi tahu kita tentang dalam kondisi apa sebuah bintang neutron dapat eksis.”

Menemukan bayi magnetar akan menyenangkan, kata astrofisikawan Om Sharan Salafia dari Institut Nasional Astrofisika Italia di Merate, yang tidak terlibat dalam penelitian baru. “Sebuah bintang neutron baru yang sangat magnetis dan berotasi tinggi yang terbentuk dari penggabungan dua bintang neutron belum pernah diamati sebelumnya,” katanya.

Tapi dia setuju bahwa terlalu dini untuk mengesampingkan penjelasan lain. Terlebih lagi, simulasi komputer baru-baru ini menunjukkan bahwa mungkin sulit untuk melihat magnetar yang baru lahir bahkan jika itu terbentuk, katanya. "Saya tidak akan mengatakan ini diselesaikan."

Mengamati bagaimana cahaya objek berperilaku selama empat bulan hingga enam tahun ke depan, Fong dan rekan-rekannya telah menghitung, akan membuktikan apakah magnetar lahir atau tidak.

Fong sendiri berencana untuk terus menindaklanjuti objek misterius itu dengan observatorium yang ada dan yang akan datang untuk waktu yang lama. "Saya akan melacak ini sampai saya tua dan beruban, mungkin," katanya. "Saya akan melatih siswa saya untuk melakukannya, dan siswa mereka."

Pertanyaan atau komentar tentang artikel ini? Email kami di [email protected]

Versi artikel ini muncul di edisi 19 Desember 2020 Berita Sains.


Peringatan Dini

Sachdev dan kolaborator menganalisis kinerja GstLAL, saluran deteksi gelombang gravitasi peringatan dini untuk LIGO/Virgo yang mencari sinyal biner bintang neutron yang mendekati penggabungan.

Distribusi kumulatif dari lokalisasi langit dari sinyal penggabungan bintang neutron biner yang disuntikkan yang dipulihkan oleh saluran penulis. Hasil menunjukkan bahwa setidaknya satu peristiwa per tahun akan terdeteksi sebelum merger dan dilokalisasi dalam 100 derajat².
Sachdev dkk. 2020

Dengan menyuntikkan sinyal merger ke dalam kumpulan data yang disimulasikan, penulis menunjukkan bahwa pipeline mampu memulihkan banyak dari sinyal ini 10–60 detik sebelum merger terjadi. Deteksi dini ini dimungkinkan ketika merger terjadi di dekatnya, sehingga rasio signal-to-noise yang besar dapat terakumulasi saat bintang-bintang neutron mengilhami dalam beberapa saat terakhir tabrakan mereka.


Bintang neutron sangat, sangat aneh — dan kami baru saja mempelajari detail baru yang menarik tentang mereka

Oleh Matthew Rozsa
Diterbitkan 30 April 2021 08:00 (EDT)

Bintang neutron berputar yang sangat magnetis (Getty Images/Pitris)

Berbagi

Bayangkan sebuah bintang masif, yang jauh lebih besar dari matahari kita sendiri, telah mati. Pertama ada ledakan spektakuler, diikuti oleh apa pun yang tersisa. Kadang-kadang itu adalah lubang hitam, yang bisa menarik dengan sendirinya, dan pada kesempatan lain kita ditinggalkan dengan inti runtuhan super padat dari bintang yang sebelumnya megah. Benda-benda itu dikenal sebagai bintang neutron - dan para ilmuwan percaya bahwa mereka mungkin baru saja menemukan cara untuk mempelajari lebih lanjut tentang benda-benda yang sangat aneh dan jauh ini.

Namun, untuk melakukan itu, mereka memeriksa sesuatu yang sangat, sangat kecil: Inti atom, atau unit terkecil dari materi biasa yang dapat membentuk unsur kimia. Seperti tata surya itu sendiri, atom mengandung pusat masif dengan objek yang lebih kecil berputar di sekitarnya. Dalam kasus tata surya kita, pusatnya adalah matahari dan benda-benda yang lebih kecil adalah berbagai planet dan benda langit lainnya. Dalam kasus atom, pusatnya adalah inti yang terdiri dari bagian-bagian yang dikenal sebagai proton dan neutron, yang pada gilirannya dikelilingi oleh elektron yang berputar.

"Jika Anda kembali ke saat kami pertama kali mulai melihat inti [atom], kami menggunakan elektron untuk memetakan ukuran inti," Dr. Kent Paschke, seorang profesor fisika nuklir dan partikel eksperimental di University of Virginia dan rekan -penulis studi baru, mengatakan kepada Salon. "Kami semacam membuat gambaran baru dari inti untuk menjelaskan tidak hanya di mana proton berada, tetapi di mana semua materi dalam inti. Apa yang telah kami pelajari adalah kepadatan rata-rata di dalam inti timah. Apa yang memberitahu kita adalah detail tentang struktur nuklir yang belum pernah kita miliki sebelumnya, yaitu betapa sulitnya menciptakan materi padat yang kaya neutron."

Bagaimana hal ini berhubungan dengan bintang neutron? Sederhananya, informasi baru ini dapat membantu kita mempelajari lebih lanjut tentang ukuran dan sifat fisiknya.

"Pada dasarnya fisikanya sama," jelas Paschke. "Jenis interaksinya sama. Kami pikir kami dapat menerjemahkan dari situasi di dalam inti kecil ke situasi di dalam bintang. Dan itu adalah sesuatu yang fisikawan suka lakukan, mereka ingin memiliki aturan umum yang berlaku untuk banyak sistem yang berbeda. ."

Dia menambahkan bahwa apa yang telah mereka pelajari, khususnya, adalah "ketebalan kulit neutron dari inti timah. Jadi ini adalah sistem yang berbeda dari bintang neutron. Dan kita berbicara tentang di mana neutron berada dalam inti timah, dan lalu implikasinya terhadap ukuran total bintang neutron."

Penting untuk dicatat bahwa bintang neutron tidak seperti apa pun yang dapat kita bayangkan di Bumi. Menurut Dr Jorge Piekarewicz, seorang fisikawan di Florida State University yang ikut menulis studi pendamping untuk penelitian bintang neutron, mereka berasal dari bintang yang sangat berbeda dari matahari kita. Bintang seperti matahari kita menciptakan energi melalui reaksi termonuklir dan, ketika mati, menjadi bintang "katai putih". Sebaliknya, bintang neutron tercipta ketika bintang yang jauh lebih besar dari matahari mati.

"Seperti namanya, bintang neutron sebagian besar terbuat dari neutron, tidak seperti matahari kita yang sebagian besar terbuat dari hidrogen primordial yang dibuat selama Big Bang," kata Piekarewicz kepada Salon melalui email. "Bintang-bintang neutron seberat matahari kita tetapi memiliki radius sekitar 100.000 kali lebih kecil. Dengan demikian, mereka adalah objek terpadat di alam semesta. Sebuah kubus gula bahan bintang neutron beratnya sama dengan seluruh populasi dunia. "

Piekarewicz menambahkan bahwa bintang neutron tidak biasa — bagi kita di Bumi, yaitu — karena mengandung bahan yang tidak dapat dibuat di planet kita, memiliki medan magnet yang secara eksponensial lebih kuat daripada medan magnet planet kita dan juga lebih padat secara eksponensial daripada air.

"Studi ini luar biasa karena menghubungkan objek sekecil inti atom (dengan ukuran beberapa femtometer) dengan objek astronomi sebesar bintang neutron (dengan dimensi sekitar 10 kilometer)," jelas Piekarewicz. "Studi ini menunjukkan bahwa bintang neutron lebih besar dari yang diantisipasi, fakta yang sepenuhnya konsisten dengan pengamatan baru-baru ini oleh misi NICER di Stasiun Luar Angkasa Internasional. Dengan demikian, penelitian ini menetapkan hubungan yang menarik antara eksperimen terestrial dan pengamatan astronomi - sebuah kemitraan yang akan menjadi lebih kuat di era baru astronomi gelombang gravitasi."

Matthew Rozsa

Matthew Rozsa adalah penulis staf untuk Salon. Dia memegang gelar MA dalam Sejarah dari Rutgers University-Newark dan ABD dalam program PhD dalam Sejarah di Universitas Lehigh. Karyanya telah muncul di Mic, Quartz dan MSNBC.


Referensi

  1. K. Yagi dan N. Yunes, “Perkiraan hubungan universal untuk bintang neutron dan bintang quark,” Phys. Reputasi. 681, 1 (2017).
  2. D. D. Doneva dan G. Pappas, “Hubungan universal dan teori gravitasi alternatif,” Astrophys. Ilmu Luar Angkasa. perpustakaan 457, 737 (2018).
  3. H.O. Silva dkk., “Implikasi fisika astrofisika dan teoretis dari pengamatan bintang neutron multimessenger,” Phys. Pdt. Lett. 126, 181101 (2021).
  4. K. Yagi dan N. Yunes, “I-Love-Q: Hubungan universal tak terduga untuk bintang neutron dan bintang quark,” Sains 341, 365 (2013).
  5. M. Baubock dkk., “Hubungan antara parameter bintang neutron dalam pendekatan Hartle-Thorne,” Astrophys. J 777, 68 (2013).
  6. C. Breu dan L. Rezzolla, “Massa maksimum, momen inersia dan kekompakan bintang relativistik,” Mon. Tidak. Roy. astronot. Soc. 459, 646 (2016).
  7. T.E. Riley dkk., “Tampilan yang LEBIH BAIK dari PSR J0030+0451: Estimasi parameter pulsar milidetik,” Astrophys. J. Lett 887, L21 (2019).
  8. M.C. Miller dkk., “PSR J0030+0451 massa dan jari-jari dari data NICER dan implikasinya terhadap sifat-sifat materi bintang neutron,” Astrophys. J. Lett. 887, L24 (2019).
  9. J. M. Lattimer dan B. F. Schutz, "Membatasi persamaan keadaan dengan pengukuran momen inersia," Astrophys. J 629, 979 (2005).
  10. M. Kramer dan N. Wex, “Sistem pulsar ganda: Laboratorium unik untuk gravitasi,” Kelas. Bergalah. Grav. 26, 073001 (2009).

Benturan

Tabrakan neutron-bintang mengajari kita tentang sifat materi terpadat di Semesta. Sifat-sifat materi ini dapat dipahami sebagian dengan mengukur jari-jari bintang neutron. Sampai saat ini, pengamat menyimpulkan bahwa jari-jari bintang neutron yang khas berkisar antara 10–14 km dengan ketidakpastian yang besar. Karya ini menentukan radius bintang neutron secara independen dan lebih akurat. Kendala yang ditingkatkan akan berimplikasi pada interpretasi pengamatan bintang neutron di masa depan dan akan membantu para ilmuwan lebih memahami alam semesta.


Ilmuwan Telah Menemukan Kesamaan Aneh Antara Sel Manusia dan Bintang Neutron

Jika Anda membandingkan diri Anda dengan bintang neutron, Anda mungkin tidak akan menemukan banyak kesamaan. Lagi pula, bintang neutron – benda langit dengan medan magnet super kuat – terbuat dari inti bintang yang runtuh, terletak beberapa tahun cahaya dari Bumi, dan bahkan tidak menonton Netflix.

Tetapi, menurut penelitian baru, kami memiliki setidaknya satu kesamaan: geometri materi yang membuat kami.

Para peneliti telah menemukan bahwa 'kerak' (atau lapisan luar) bintang neutron memiliki bentuk yang sama dengan membran sel kita. Ini bisa berarti bahwa, meskipun secara fundamental berbeda, baik manusia maupun bintang neutron dibatasi oleh geometri yang sama.

"Melihat bentuk yang sangat mirip dalam sistem yang sangat berbeda menunjukkan bahwa energi suatu sistem mungkin bergantung pada bentuknya dengan cara yang sederhana dan universal," kata salah satu peneliti, astrofisikawan Charles Horowitz, dari Indiana University, Bloomington.

Untuk memahami temuan ini, kita perlu segera menyelami dunia materi nuklir yang aneh, yang oleh para peneliti disebut 'pasta nuklir' karena sangat mirip dengan spageti dan lasagna. Lihat diri mu sendiri:

D. K. Berry dkk.

Pasta nuklir ini terbentuk di kerak padat bintang neutron berkat gaya tolak jarak jauh yang bersaing dengan sesuatu yang disebut gaya kuat, yaitu gaya yang mengikat quark bersama-sama.

Dengan kata lain, dua kekuatan kuat bekerja melawan satu sama lain, memaksa materi – yang terdiri dari berbagai partikel – untuk menyusun dirinya dengan cara (pasta) seperti perancah.

Sebagai salah satu tim, Greg Huber, fisikawan biologi dari University of California, Santa Barbara, menjelaskan:

"Ketika Anda memiliki kumpulan proton dan neutron yang padat seperti yang Anda lakukan di permukaan bintang neutron, gaya nuklir kuat dan gaya elektromagnetik berkonspirasi untuk memberi Anda fase materi, Anda tidak akan dapat memprediksi jika Anda baru saja melihat. pada gaya-gaya yang beroperasi pada kumpulan kecil neutron dan proton."

Sekarang, ternyata struktur seperti pasta ini sangat mirip dengan struktur di dalam sel biologis, meskipun sangat berbeda.

Kesamaan aneh ini pertama kali ditemukan pada tahun 2014, ketika Huber mempelajari bentuk unik pada retikulum endoplasma (ER) kita – organel kecil dalam sel kita yang membuat protein dan lipid.

Pada awalnya, Huber berpikir bahwa struktur di UGD ini – yang disebutnya "garasi parkir", atau lebih formalnya, terasaki landai - adalah sesuatu yang hanya terjadi di dalam materi lunak.

But the he saw Horowitz's models of neutron stars, and was surprised to find that the structures of the ER looked a heck of a lot like the structures inside neutron stars.

"I called Chuck [Horowitz] and asked if he was aware that we had seen these structures in cells and had come up with a model for them," Huber said. "It was news to him, so I realised then that there could be some fruitful interaction."

You can see the ER structures (left) compared to the neutron stars (right) below:

University of California, Santa Barbara

The discovery brought both of the scientists together to compare and contrast the differences between the structures, such as the conditions required for them to form.

Normally, matter is characterised by a phase – sometimes called its state – such as gas, solid, liquid Different phases are usually influenced by a plethora of various conditions, like how hot the matter is, how much pressure it’s under, and how dense it is.

These factors change wildly between soft matter (the stuff inside cells) and neutron stars (nuclear matter). After all, neutron stars form after supernovae explosions, and cells form within living things. With that in mind, it’s quite easy to see that the two things are very different.

"For neutron stars, the strong nuclear force and the electromagnetic force create what is fundamentally a quantum mechanical problem," Huber said.

"In the interior of cells, the forces that hold together membranes are fundamentally entropic and have to do with the minimisation of the overall free energy of the system. At first glance, these couldn't be more different."

While the similarity is cool, and makes us feel connected to the cosmos in a strange way, the differences signify the importance of the discovery, because they hint that two very different things – cells and neutron stars – might be guided by the same geometric rules that we're only just beginning to understand.

It will take further research to really figure out what's going on here, but it’s a starting point that could help us understand something fundamental about how matter is structured, and we're excited to see where that leads.


The origin of neutron stars

When a star that is between about three to eight times as massive as the Sun dies, it goes in spectacular fashion. The star's core suhu is in excess of half a billion degrees kelvin, and must remain this hot for thermonuclear fusion reactions involving its last reserves of fuel to take place.

Then the fuel runs out. No longer able to produce fusion reactions to sustain it, the star collapses. The core—a few million trillion trillion tons of it—falls in on itself, and in the ensuing cataclysm the star's outer layers are flung outward in a supernova explosion.

Intuition might tell you that the collapsing core will keep falling, squeezing itself together until it becomes so dense that it can fall no farther. This is like when you crumple a sheet of kertas into a ball. You can only squeeze it to a certain point, after which it is too tightly packed to reduce its size any further.

In the case of a collapsing star, a law of fisika Dikenal sebagai Pauli exclusion principle describes this phenomenon. Atoms are composed of a nucleus surrounded by electrons. Electrons do not "orbit" the nuclei in the sense that planets orbit the Sun rather, electrons exist in what are called "energy states," meaning that they have only certain amounts of energi . The Pauli Exclusion Principle states that two identical electrons may not share the same energy state. It is therefore possible for the energy levels of an atom to become completely filled with electrons, in the same way that an auditorium can only hold as many people as it has seats. Masalah with its energy levels filled like this is called degenerate.

The Pauli exclusion principle will come into play when the Sun dies and its core collapses. Itu carbon dan oxygen atoms will become squeezed together until the atomic levels are filled and the whole core becomes a ball of degenerate matter. At this point, the resistance of the electrons to gravity, or electron degeneracy pressure, will halt the contraction. This ball of hot, degenerate, carbon and oxygen atoms is called a katai putih , and it is the fate of the Sun.

If the collapsing core is between 1.4 and about 2.5 times the mass of the Sun, however, the gravity will be so strong that the electron degeneracy tekanan will fail. Unable to resist the weight of their own gravity, the atoms will be crushed into a ball made mainly of neutrons about 32,810 ft (10 km) across. This object is called a neutron star.


A new way to see Inside Neutron Stars

Imagine trying to study an object light-years away that is less than 20 kilometers in diameter. The object is so dense that it’s made of material that can’t exist naturally on Earth. This is the challenge astronomers face when studying neutron stars, so they have to devise ingenious ways to do it. Recently a team figured out how to study them by using the power of resonance.

Resonance occurs when energy is given to a system near the natural oscillation frequency of an object. For example, if you want to make a swing go high, you can’t just pump your legs at any speed. You have to time things so that you are in sync with the natural motion of the swing. Do it right, and you can really get the swing going. Resonance is used in all kinds of things, from the receiver on your mobile phone to amusement park wave pools.

The incomparable Ella Fitzgerald sings a note to shatter glass in a 1970s advertisement. Credit: Memorex at 50

Perhaps the most famous demonstration of resonance is the 1970s Memorex commercial where jazz singer Ella Fitzgerald sang a high C so loud and pure that she could shatter a wine glass. Ella’s note was close enough to the natural frequency of the glass that it vibrated strongly enough for the glass to shatter. This is essentially the method the team used, but instead of sound, the study relied on gravitational waves to do the shattering.

When two neutron stars orbit each other closely, the gravitational attraction between them can cause the surface of these stars to flex slightly. If the rate of this flexing is in sync with a natural frequency of the star, the flexing builds to the point that the surface of the neutron star cracks, similar to the way a wine glass shatters. When the surface cracks, the star emits a bright burst of gamma rays. The effect is known as a Resonant Shattering Flare. We can observe these gamma-ray flares every time the surface shatters.

Close orbiting neutron stars create gravitational waves. Credit: R. Hurt/Caltech-JPL

Of course, neutron stars can emit gamma-ray flares for other reasons as well. So to determine which flares are from resonance, the team proposes looking at gravitational waves as well. Closely orbiting neutron stars emit gravitational waves as they spiral ever closer together. The frequency of these gravitational waves could tell astronomers the frequency at which the neutron star surface is being flexed. The combination of gamma-ray and gravitational wave observations would allow astronomers to determine the resonant frequency of the neutron star.

As the team points out, this would allow astronomers to understand what’s known as the symmetry energy of nuclear material. This relates to the ratio of protons and neutrons in the nucleus of an atom, and by studying symmetry energy astronomers could better understand the interiors of neutron stars.

Referensi: Neill, Duncan, William G. Newton, and David Tsang. “Resonant Shattering Flares as Multimessenger Probes of the Nuclear Symmetry Energy.” Pemberitahuan Bulanan Royal Astronomical Society (2021): stab764.