Τα αστέρια νετρονίων μπορεί να είναι μεγαλύτερα από το αναμενόμενο, υποδηλώνει η μέτρηση του πυρήνα του μολύβδου
Πείτε ό,τι θέλετε για τον μόλυβδο, έχει ένα εκπληκτικά παχύ δέρμα—δηλαδή από νετρόνια. Στην πραγματικότητα, το στρώμα νετρονίων στο εξωτερικό ενός πυρήνα μολύβδου είναι διπλάσιο από όσο νόμιζαν οι φυσικοί, σύμφωνα με μια νέα μελέτη. Το φαινομενικά δυσνόητο αποτέλεσμα θα μπορούσε να έχει συνέπειες εκτός αυτού του κόσμου:τα αστέρια νετρονίων, οι υπερπυκνές σφαίρες που αφήνονται πίσω όταν τα αστέρια εκρήγνυνται σε εκρήξεις σουπερνόβα, θα μπορούσαν να είναι πιο άκαμπτα και μεγαλύτερα από ό,τι προβλέπει γενικά η θεωρία.
«Είναι ένα φανταστικό πειραματικό επίτευγμα», λέει η Anna Watts, αστροφυσικός στο Πανεπιστήμιο του Άμστερνταμ που μελετά αστέρια νετρονίων. "Μιλήθηκε για χρόνια, χρόνια και χρόνια, και είναι τόσο ωραίο να το βλέπω επιτέλους να γίνεται."
Ο πυρήνας ενός ατόμου αποτελείται από πρωτόνια και νετρόνια κολλημένα μεταξύ τους από τη λεγόμενη ισχυρή πυρηνική δύναμη. Τα νετρόνια είναι γενικά περισσότερα από τα πρωτόνια. Όχι πάρα πολύ, ωστόσο, καθώς μια μεγάλη ανισορροπία στον αριθμό των πρωτονίων και των νετρονίων αυξάνει την εσωτερική ενέργεια ενός πυρήνα και μπορεί να τον κάνει ασταθή. Η θεωρία γενικά προβλέπει ότι ένας μεγάλος πυρήνας αποτελείται από ένα σχεδόν ίσο μείγμα πρωτονίων και νετρονίων που περιβάλλεται από ένα δέρμα καθαρών νετρονίων.
Είναι το πάχος αυτού του δέρματος που έχουν μετρήσει τώρα οι πυρηνικοί φυσικοί με το πείραμα ακτίνας μολύβδου (Pb) (PREX) στην Εθνική Εγκατάσταση Επιταχυντή Thomas Jefferson. Για να το κάνουν αυτό, αναπήδησαν άφθονα ηλεκτρόνια από τους πυρήνες του μολύβδου-208, το πιο κοινό ισότοπο του στοιχείου, το οποίο έχει 82 πρωτόνια και 126 νετρόνια. Τα αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια αλληλεπιδρούν με τα θετικά φορτισμένα πρωτόνια κυρίως μέσω της ηλεκτρομαγνητικής δύναμης, η οποία εκτρέπει τα ηλεκτρόνια. Μέσω αυτής της ηλεκτρομαγνητικής σκέδασης, άλλοι φυσικοί είχαν προηγουμένως μετρήσει την κατανομή των πρωτονίων στον πυρήνα του μολύβδου-208 και βρήκαν ότι εκτείνεται σε μια ακτίνα 5,50 fermi—ένα fermi είναι το ένα εκατομμυριοστό του 1 νανομέτρου.
Για να διερευνήσουν τα νετρόνια, οι φυσικοί του PREX εκμεταλλεύτηκαν το γεγονός ότι τα ηλεκτρόνια μπορούν να αλληλεπιδράσουν τόσο με τα πρωτόνια όσο και με τα νετρόνια μέσω της ασθενούς πυρηνικής δύναμης. Αδύναμη σε σύγκριση με την ηλεκτρομαγνητική δύναμη, η δύναμή της εξαρτάται από το αν το εισερχόμενο ηλεκτρόνιο περιστρέφεται προς τα δεξιά - όπως ένα ποδόσφαιρο που πετάει ένας δεξιόχειρας στρατηγός - ή προς τα αριστερά. Αυτή η ευαισθησία επέτρεψε στους ερευνητές του PREX να ανιχνεύσουν την επίδραση της αδύναμης δύναμης.
Οι ερευνητές εκτόξευσαν μια δέσμη ηλεκτρονίων, σχεδόν όλα περιστρεφόμενα με τον ίδιο τρόπο, στους πυρήνες μολύβδου και μέτρησαν την πιθανότητα να εκτρέπονταν σε μια συγκεκριμένη γωνία. Στη συνέχεια, έστρεψαν τα ηλεκτρόνια, έτσι περιστράφηκαν αντίθετα και αναζήτησαν μια διαφορά ενός μέρους σε 1 εκατομμύριο στο ρεύμα των ηλεκτρονίων που εκτρέπονταν. Αυτή η μικροσκοπική ασυμμετρία θα σήμαινε την επίδραση της ασθενούς δύναμης και το μέγεθός της θα αποκάλυπτε τη χωρική εξάπλωση των νετρονίων. Οι φυσικοί ανέτρεψαν το σπιν των ηλεκτρονίων 240 φορές το δευτερόλεπτο, προσέχοντας πολύ ώστε να μην άλλαζαν την ενέργεια, την ένταση ή την τροχιά της δέσμης.
Η παρατηρούμενη ασυμμετρία υποδηλώνει ότι ο πυρήνας του μολύβδου έχει δέρμα νετρονίων πάχους 0,28 fermi, δίνει ή παίρνει 0,07, αναφέρουν σήμερα ερευνητές του PREX στο Physical Review Letters . Αυτή η μέτρηση ταιριάζει καλά με μια προηγούμενη μέτρηση που αναφέρθηκε από την ομάδα PREX το 2012, αλλά τα νέα δεδομένα μειώνουν την αβεβαιότητα στο μισό. Το πιο ακριβές εύρημα υποδηλώνει ότι το δέρμα νετρονίων του μολύβδου-208 είναι περίπου διπλάσιο από αυτό που είχαν προβλέψει οι θεωρητικοί και άλλα λιγότερο άμεσα πειράματα είχαν δείξει. "Έχει αναγκάσει όλους να αρχίσουν να εξετάζουν εξονυχιστικά τις υποθέσεις τους και αυτό είναι ένα όνειρο για τους πειραματιστές", λέει ο Krishna Kumar, φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Μασαχουσέτης, στο Amherst, και συν-εκπρόσωπος της ομάδας PREX.
Μερικές από αυτές τις υποθέσεις αφορούν, τελικά, τη φύση των άστρων νετρονίων. Παρόλο που ένας ατομικός πυρήνας είναι πολλές φορές λιγότερο πυκνός από ένα αστέρι νετρονίων, ο πρώτος μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να βγάλει συμπεράσματα για το τελευταίο, εξηγεί ο Jorge Piekarewicz, πυρηνικός θεωρητικός στο State University της Φλόριντα. Συγκεκριμένα, ένα παχύτερο δέρμα νετρονίων υποδηλώνει ότι τα αστέρια νετρονίων είναι λιγότερο συμπιεστά από ό,τι προβλέπουν πολλές θεωρίες, λέει, κάτι που θα τους έκανε μεγαλύτερους. Μάλιστα, σε άλλη εργασία που δημοσιεύτηκε σήμερα στο Physical Review Letters , ο Piekarewicz και οι συνεργάτες του υπολογίζουν ότι το αποτέλεσμα PREX υποδηλώνει μια ακτίνα μεταξύ 13,25 και 14,25 χιλιομέτρων για ένα αστέρα νετρονίων που τρέχει στο μύλο με μάζα 1,4 φορές μεγαλύτερη από τον Ήλιο. Οι περισσότερες θεωρίες δίνουν εκτιμήσεις πιο κοντά στα 10 χιλιόμετρα.
Το τζάμπο μέγεθος είναι εύλογο για τον Κόουλ Μίλερ, έναν αστρονόμο στο Πανεπιστήμιο του Μέριλαντ, στο Κολλέγιο Παρκ, ο οποίος συνεργάζεται με τον Ερευνητή Εσωτερικής Σύνθεσης Αστεριών Νετρονίων της NASA (NICER), ένα τηλεσκόπιο ακτίνων Χ στον Διεθνή Διαστημικό Σταθμό. Οι ερευνητές του NICER χρησιμοποιούν το φάσμα της ακτινοβολίας από ένα περιστρεφόμενο αστέρι νετρονίων για να συμπεράνουν το μέγεθός του και ακόμη και να χαρτογραφήσουν ανωμαλίες στην επιφάνειά του. Το όργανο μέτρησε την ακτινοβολία από δύο αστέρια νετρονίων με μάζα 1,4 και 2,1 φορές μεγαλύτερη από τον Ήλιο και βρήκε ότι και τα δύο έχουν ακτίνα περίπου 13 χιλιόμετρα.
Αλλά ο Μίλερ σημειώνει ότι τα δεδομένα από ανιχνευτές βαρυτικών κυμάτων μπορεί να ευνοούν μικρότερα, μαλακότερα αστέρια νετρονίων. Το 2017, φυσικοί με το Παρατηρητήριο Βαρυτικών Κυμάτων συμβολόμετρου λέιζερ (LIGO) στις Ηνωμένες Πολιτείες και τον ανιχνευτή Virgo στην Ιταλία εντόπισαν δύο αστέρια νετρονίων να στροβιλίζονται μεταξύ τους και να συγχωνεύονται, πιθανώς για να σχηματίσουν μια μαύρη τρύπα. Εάν τα αστέρια νετρονίων ήταν σχετικά μεγάλα και άκαμπτα, τότε πριν από τη συγχώνευση θα έπρεπε να είχαν αρχίσει να παραμορφώνονται μεταξύ τους μέσω της βαρύτητάς τους, λέει ο Miller. Αλλά οι ερευνητές του LIGO και του Virgo δεν είδαν στοιχεία τέτοιας παλιρροϊκής παραμόρφωσης στο σήμα τους, λέει.
Ωστόσο, ο Witold Nazarewicz, πυρηνικός θεωρητικός στο Πολιτειακό Πανεπιστήμιο του Μίσιγκαν, λέει ότι είναι πρόωρο να ανησυχούμε για τις αστροφυσικές επιπτώσεις του αποτελέσματος PREX. Σημειώνει ότι η ομάδα μετρά μόνο την ασυμμετρία σκέδασης ηλεκτρονίων και οι θεωρίες που χρησιμοποιούν οι ερευνητές για να τη μετατρέψουν στο πάχος του δέρματος νετρονίων έχουν τις δικές τους αβεβαιότητες. Και η τιμή που παίρνει η ομάδα για την ασυμμετρία μπορεί ήδη να έρχεται σε αντίθεση με μετρήσεις άλλων ιδιοτήτων του πυρήνα του μολύβδου, λέει ο Nazarewicz. "Θα ήθελα να μάθω αν όλα είναι σύμφωνα με το lead-208."
Ωστόσο, το εκπληκτικό αποτέλεσμα PREX πιθανότατα θα παρακινήσει πυρηνικούς φυσικούς και αστροφυσικούς να επανεξετάσουν τους θεωρητικούς δεσμούς μεταξύ ατομικών πυρήνων και άστρων νετρονίων, λέει ο Piekarewicz. "Είναι ένα ψυχολογικό τράνταγμα για την κοινότητα."
