För att söka efter mörk materia kan neutronstjärnor vara till hjälp

 

Fritt citerat från vikipedia; ”En neutronstjärna är resultatet av ett av flera möjliga slut för en stjärna. När en stjärna i slutet av sin existens  stöter bort sina yttre lager inträffar en gravitationskollaps genom att  stjärnans kvarvarande inre delar imploderar. Om stjärnan är så stor att den kvarvarande massan motsvarar 1,4–3 solmassor sker en supernova. Återstoden blir en neutronstjärna som består av tätt packade neutroner, och övrigt material från supernovan”. slut citat. En massa jämförbar med solens – komprimeras  till en radie på 10 km och en tesked neutronstjärnematerial av detta väger ca en miljard ton!

Hittills har forskare  dragit slutsatsen att något som fått beteckningen mörk materia existerar men aldrig observerat den utan endast kunnat söka vidare efter bevis på vad det är. Att bevisat detektera partiklar av mörk materia i experiment på jorden verkar som en omöjlig uppgift då växelverkan mellan partiklar av mörk materia och vanlig materia är ytterst sällsynt (teoretiskt).

För att söka efter dessa otroligt sällsynta signaler behövs en mycket stor detektor – kanske så stor att det är ogörligt att bygga en tillräckligt stor sådan på jorden. Naturen erbjuder dock ett alternativ i form av neutronstjärnor – en neutronstjärna kan fungera som den ultimata detektorn till att finna mörk materia (om den finns och kan finnas).

I en neutronstjärna som är en kollapsad kärna av en stjärna är gravitationen så hårt hoppressad att protoner och elektroner kombineras och bildar neutroner. Neutronstjärnor är "kosmiska laboratorier" som kanske kan göra det möjligt att studera hur mörk materia beter sig under extrema förhållanden som inte kan replikeras på jorden.

Mörk materia växelverkar (teoretiskt) endast mycket svagt med vanlig materia. Till exempel kan den passera genom ett ljusår av bly (cirka 10 biljoner kilometer) utan att stoppas på vägen. Otroligt nog är dock neutronstjärnor så täta att de kan fånga upp alla partiklar av mörk materia som passerar genom dem (teoretiskt). Teoretiskt sett ska partiklarna av mörk materia kollidera med neutroner i stjärnan, förlora energi och fastna i gravitationen där. Med tiden skulle partiklar av mörk materia ackumuleras i stjärnans kärna. Detta förväntas då värma upp gamla, kalla neutronstjärnor till en nivå som kan vara inom räckhåll för framtida observationer. I extrema fall kan ansamlingen av mörk materia leda till att stjärnan kollapsar till ett svart hål.

Det innebär att neutronstjärnor kan göra det möjligt att undersöka vissa typer av mörk materia (den ansamlade och värmealstringen av detta) som skulle vara svåra eller omöjliga att observera i experiment från jorden. För mer om denna intressanta teori se denna länk från university of Melbourne 

Forskargruppen bestod av forskare från ARC Centre of Excellence for Dark Matter Particle Physics, inklusive Dr Sandra Robles, Michael Virgato och professor Nicole Bell från University of Melbourne, Dr Giorgio Busoni från Max Planck-institutet för kärnfysik i Tyskland och Theo Motta och professor Anthony Thomas AC från University of Adelaide.

Bild vikipedia teoretisk modell av en neutronstjärna.

Svarta hål slukar neutronstjärnor i stjärnklustret NGC 3201

En neutronstjärna uppstår som slutprodukt när stjärnor gjort slut på sitt bränsle. Det sker då stjärnan stöter bort sina yttre lager och en gravitationskollaps inträffar genom att stjärnans kvarvarande  delar imploderar. Om stjärnan är så stor att den kvarvarande massan motsvarar 1,4–3 solmassor övergår den till en supernova. Återstoden blir en neutronstjärna som består av tätt packade neutroner och övrigt material utspritt som rester från supernovan.

Fusioner mellan svarta hål och neutronstjärnor i täta stjärnhopar är helt olikt de som bildas i isolerade regioner där stjärnorna är få. De tillhörande funktionerna av dessa händelser kan vara avgörande för studier av gravitationsvågors källa. Dr Manuel Arca Sedda vid Institutet för astronomisk databehandling vid Heidelbergs universitet kom till denna slutsatsi en studie där datorsimuleringar av stjärnor mycket mer massiva än vår sol simulerades till avslutning som en supernova och då blev en neutronstjärna eller ett svart hål.

Neutronstjärnor avger regelbundna strålningspulser som gör detektering av dem möjlig. I augusti 2017, till exempel upptäcktes för första gången en dubbel neutronstjärnefusion. Svarta hål å andra sidan förblir oftast dolda eftersom deras gravitationella attraktion är så stark att ljus inte kan avges från de svarta hålet vilket gör dem osynliga för elektromagnetiska detektorer.

Om två svarta hål går samman kan händelsen vara osynlig men kan ändå upptäckas från ringar i rumtiden i form av så kallade gravitationsvågor. Vissa detektorer som "Laser Interferometer Gravitational Waves Observatory" (LIGO) i USA, kan upptäcka dessa vågor. Den första lyckade direkta observationen gjordes 2015. Signalen genererades från en fusion av två svarta hål.

Men denna händelse kanske inte är den enda källan till gravitationsvågor. De kan kanske även komma från sammanslagningen av två neutronstjärnor eller ett svart håls med en neutronstjärna. Att upptäcka skillnaderna mellan dessa scener är utmaningarna skriver Dr Arca Sedda i rapport. Det är detta han försökt hitta lösningen till i sina datasimuleringar. Han använde detaljerade datorsimuleringar för att studera samspelet mellan ett system som består av en stjärna och ett kompakt objekt såsom ett svart hål och ett tredje massivt objekt vilket krävs för en fusion. Resultaten visar att sådana tre-kroppsinteraktioner faktiskt kan bidra till svarta hål- neutronstjärnefusioner i täta stjärnregioner som i klotformiga stjärnhopar. "En speciell familj av dynamiska fusioner som skiljer sig helt från fusioner i isolerade områden kan då definieras", förklarar Manuel Arca Sedda.

Fusionen av ett svart hål med en neutronstjärna observerades första gången av gravitationsvågobservatorier i augusti 2019 i stjärnklustret NGC-3201.

Ett forskningsområde (min anm.) som är otroligt svårt kan vi se det som. Att skilja olika slag av fusioner är något som är något för de med stort tålamod och ytterlig noggrannhet som forskningsområde.

Bild NGC 3201 ett stjärnkluster i riktning mot stjärnbilden Seglet på södra stjärnhimlen fotograferat av Rymdteleskopet Hubble.

En kollision mellan två stjärnor för en halv miljard år sedan

Ett internationellt team av forskare från bland annat The Australian National University (ANU) har upptäckt två stjärnors kollision för omkring 500 miljoner år sedan.


Upptäckten kommer bara några veckor efter återstarten av det känsligaste vetenskapliga instrument som någonsin byggts. Det avancerade Laser Interferometer gravitations-wave Observatory (LIGO) vilket finns i USA och består av dubbla detektorer.


Det är två neutronstjärnors kollision vi nu kan se. En händelse ca en halv miljard ljusår bort och lika många år sedan.
  

Neutronstjärnor har en radie av 15 kilometer och är två gånger massan av vår sol.

Med det avancerade instrument som upptäckte denna historiska händelse förväntar astronomer att upptäcka gravitationsvågor från fler än mer omvälvande händelser därute.  Händelser vi aldrig har haft möjlighet att upptäcka tidigare. Kanske händelser som när ett svart hål sväljer en neutronstjärna och exploderande stjärnor på mycket långt avstånd i tid och rum vilka producerar mycket svaga signaler mm.


Ju mer avancerade instrument vi avsöker universum med desto mer kan vi hitta och desto mer frågor uppstår.


Bild från vikipedia på En arm av LIGO-interferometern som är en del av instrumentet som användes ovan.

Jetström av gravitation upptäckt från neutronstjärnekrock

I augusti 2017 observerades när två neutronstjärnor kolliderade och  denna krasch resulterade i gravitationsvågor upptäckta av amerikanska astronomer vid LIGO och Europeiska Virgo detektorerna.


Neutronstjärnor i sig är extremt täta stjärnor med ungefär samma vikt som solen men med en storlek av ex staden Köln i Tyskland.


Händelsen ovan är den första och enda av denna typ av händelse som har observerats hittills  och händelsen skedde i en galax 130 miljoner ljusår från jorden i stjärnbilden Hydra.


Ett internationellt  team av bland annat astronomer från Max Planck Institute for Radio Astronomy in Bonn i Tyskland och en massuppkoppling av radioteleskop på fem kontinenter  observerade händelsen och den efterföljande utvecklingen över hela det elektromagnetiska spektrumet, från gammastrålning, röntgen till synligt ljus och radiovågor. 


Tvåhundra dagar efter sammanslagningen visade sig att det uppstått en jetström framväxt från den våldsamma kollisionen. En jetström av gravitation.


Resultaten publicerades i den vetenskapliga tidskriften Science av ett internationellt team av astronomer ledda av Giancarlo Ghirlanda från det italienska nationella institutet för astrofysik (INAF). 


Under de kommande åren anses att många fler av neutronstjärnskollisioner kommer att upptäckas. ”De erhållna resultaten  tyder på att mer än 10% av alla dessa sammanslagningar bör uppvisa en  jetström av gravitation”. förklarar Benito Marcote från JIVE.


”Dessa typer av observationer kommer att tillåta oss att avslöja de processer som äger rum under och efter några av de mest kraftfulla händelserna i universum”., säger Sándor Frey från Konkoly observatoriet i Ungern.



Ovan neutronstjärnsammanslagning blev det första fallet där det var möjligt att associera en identifiering av gravitationsvågor till ett objekt som avger ljus. Händelsen bekräftade vetenskapliga teorier som har varit under diskussion i tiotals år om neutronstjärnor och fusioner som resulterar i en av de mest kraftfulla explosionerna i universum, gammablixtar. 


Efter fusionen utslungades en enorm mängd material i rymden vilket bildade ett skal runt objektet. Astronomer har spårat denna utveckling på olika våglängder. Det fanns dock fortfarande några återstående frågor beträffande denna händelse som inte kunde klargöras av någon tidigare iakttagelse.


Men vad som jag tycker är en gåta är varför kraschade dessa neutronstjärnor (vita dvärgstjärnor) med varandra? Varför kraschade de inte under alla de miljarder år de var vanliga gula, röda eller blå stjärnor med varandra istället? Vad var anledningen till kraschen och närgåendet till varandra nu som resulterade i en krasch?


Bild: Konkoly observatoriet i Ungern ett av de som deltog nämnt ovan.

Här dansar två neutronstjärnor vars slut kommer att bli en mätbar krusning i rumtiden.

I en galax 920 miljoner ljusår från oss har astronomer upptäckt hur en stjärna exploderade som en supernova (för förståelse av vad en supernova är följ länken). Den kollapsade till en extremt kompakt stjärna som kallas för neutronstjärna.  En händelse som denna borde resultera i en smäll så kraftig att hela universum skulle skaka. OBS det innebär inte att vi människor skulle känna det utan enbart en mätbar effekt skulle uppstå och synas. 


Kollapsen resulterade till en extremt kompakt stjärna en så kallad neutronstjärna.


Men det var någonting som inte stämde i beräkningen och väntan blev förgäves. Explosionen blev inte så intensiv som supernovor brukar vara. En knappt mätbar effekt blev resultatet och den starka ljuseffekt som väntats falnande snart.


– Det är ett bevis för att stjärnan hade blivit av med stor del av sitt gasfyllda hölje före explosionen, säger Jesper Sollerman astronom vid Stockholms universitet. Han har varit med och studerat den här märkliga supernovaexplosionen.


Astronomer drar nu slutsatsen att stjärnan en längre tid har varit fångad i en nära dans med en neutronstjärna (för förståelse av vad en neutronstjärna är följ länken) som under lång tid har ryckt bort stora delar av stjärnans enorma gashölje. Av den forna lysande stjärnan återstod endast den inre kärnan vid explosionen. Därför blev den supernovaexplosion som inträffade inte lika ljusstark som supernovor brukar bli. 


Det unika nu är att astronomer nu istället fått se födelsen av ett dubbelstjärnsystem bestående av två neutronstjärnor. Den stjärna som exploderade blev en kompakt neutronstjärna och dess följeslagare som dragit bort dess gashölje är redan en neutronstjärna.  Dessa två neutronstjärnors framtid innebär däremot en kollision mellan dem.


En kollision då de här neutronstjärnorna till slut smälter samman med resultatet att det blir ett skalv så stort att det skapar krusningar i själva rumtiden. Dessa krusningar kan numera astronomer fånga upp i form av gravitationsvågor något som bara för några år sedan var omöjligt.


Rumtid  kan förklaras som en matematisk modell vilken kombinerar rummet (bredd, höjd och djup) och tid till ett enda sammanvävt kontinuum. I sin enklaste form utgår rumtiden från ett euklidiskt rum där det finns tre rumsdimensioner och till detta läggs tiden till som en fjärde dimension. Tillsammans bildar detta en mångfald som är känd som Minkowskirummet. En punkt i denna fyrdimensionella rumtid kallas för en händelse.  (för än mer förståelse av vad rumtidbegreppet innebär följ länken).


Bilden visar resterna efter en annan supernova än ovan. Keplers supernova.

Nya överraskande rön komna om Neutronstjärnor utifrån Hubbleteleskopets arbete.

Att sluta som en neutronstjärna är ett av flera möjliga slut i en stjärnas livscykel. I slutet av en stjärnas existens stöts de yttre lagren bort genom en gravitationskollaps då stjärnans   delar imploderar efter det att bränslet för kärnfission tagit slut..

Om stjärnan var så stor att den kvarvarande massan motsvarade 1,4-3 solmassor övergår den till en supernova (se länk för att förstå vad detta innebär). 

En typisk neutronstjärna är endast ca 20 km i diameter men har en massa motsvarande 1,4 - 3 solmassor (En som jag ser det spännande siffra då den motsvarar ovanstående, kanske ett samband finns vi ännu inte förstår).

Hela kärnan av en exploderad stjärna (imploderad) har pressats till en fast boll av neutroner.

Ett ovanligt infrarött ljusutsläpp från en närliggande neutronstjärna har upptäckts av NASAS rymdteleskop Hubble och detta kan tyda på nya okända funktioner från en neutronstjärna då detta aldrig tidigare upptäckts.

En teori är att det finns en dammig disk kring neutronstjärnan varifrån ljuset kom (kommer). En annan teori är att det finns en energirik vind som plöjer bort från stjärnan genom ett gasmoln där just denna stjärna finns.

Observationen gjordes av ett team av forskare vid Pennsylvania State University, University Park, Pennsylvania, Sabanci University, Istanbul, Turkiet och the University of Arizona, Tucson, Arizona.

Neutronstjärnor kan även bli pulsarer vilket är neutronstjärnor som genererar regelbundna pulser av strålning.

Den neutronstjärna vilken Hubbleteleskopet fann utsläpp av infraröd strålning från är RX J0806.4-4123.

Med hjälp av NASA:s kommande James Webb SpaceTelescope vilket ska vara igång 2021 kommer astronomer att kunna utforska detta utsläpp än mer och förhoppningsvis lära mer om neutronstjärnors evolution. 

Kanske dumt tänkt men det finns ju neutronstjärnor varför kan det då inte finnas protonstjärnor eller elektronstjärnor? Visserligen är neutroner utan laddning. Men varför inte ett objekt med negativ laddning eller positiv laddning som elektronen och protonen? Ett objekt behöver ju inte betyda en stjärna utan något helt annat.

Bilden är på hur man idag ser på uppbyggnaden av en neutronstjärna.

Korta svampmolnspuffar från neutronstjärnor. Varför detta puffande?

Energirika utbrott från neutronstjärnor

där svampliknande moln (obs nedanstående är ett från Jorden troligen kärnvapenprov)

stiger till 15 – 150 km i höjd har upptäckts och studeras numera.

Dessa svampmoln har stora likheter med kärnvapenexplosioner men ska inte förväxlas med sådana.

Istället är de snabba och ljusstarka explosioner vilka snart bleknar bort igen.

Numera kan mätningar av dessa ofta enbart en timme långa händelser mätas. Det går att mäta den ungefärliga storleken av molnet och dess temperaturer.

Det är enorma mängder energi som kommer från dessa svampmoln. En sak få vet är att ännu är neutronstjärnors storlek enbart beräkningar. Det finns inga mätinstrument som kan visa en neutronstjärnas exakta storlek då avståndet till dem är för stort.

Allt kan vi ännu inte mäta men mer kunskap om partikelfysik kanske är lösningen för än mer kunskap om neutronstjärnornas mysterier. Varför dessa svampmoln uppstår är ännu inte helt förstått. Inte heller varför de uppstår utan förvarning och är så korta tidsmässigt.

Det finns mycket vi inte vet eller förstår om vår verklighet varken vad vi människor är och varför Jorden finns eller universum kom till.

Hur tunga kan neutronstjärnor bli?

En neutronstjärna är endast ca 20 km i diameter. Men dess massa motsvarar 1,4 – 2,16 solmassor. En neutronstjärna är slutet av en stjärnas liv av storlek av ungefär vår sol eller mindre. Större stjärnor  exploderar i en supernova.

Men hur tunga kan neutronstjärnor bli?

Forskare har nu slagit fast att de inte kan bli tyngre än 2,16 solmassor.  Ett exempel på en sådan är pulsaren  PSR J0348 + 0432.

En pulsar är en roterande neutronstjärna vilken pulserar ut regelbunden strålning på alla slags våglängder.

Tätheten i en neutronstjärna kan jämföras med att ett ölglas skulle rymma vikten motsvarande Himalayas berg.

Nog är det tänkvärt och svårt att förstå. Men likväl sant.

Bilden ett panorama över Himalaya