Alheimurinn

Ofursmáar þungstjörnur stríða stjörnufræðingum

Líkast til er um milljarður nifteindastjarna í Vetrarbrautinni en um þær vitum við nánast ekki neitt. Og nú vitum við enn minna. Stjörnufræðingar hafa sem sé fundið nifteindastjörnu sem er helmingi massaminni en hún ætti að vera. Uppgötvunin opnar möguleika á alveg nýrri gerð mjög þéttra stjarna sem gætu þanið lögmál eðlisfræðinnar að ystu mörkum.

BIRT: 12/11/2023

Í tíu ár hefur röntgensjónaukanum XMM-Newton verið beint að stjörnumerkinu sporðdrekanum og tekið við geislun frá einu sérkennilegasta fyrirbrigði geimsins; nifteindastjörnu.

 

Verkefni þessa geimsjónauka var að meta stærð og þyngd þessarar ofurþéttu stjörnu en í greiningarvinnu sinni hafa stjörnufræðingurinn Victor Doroshenko og félagar hans hjá Tübingenháskóla í Þýskalandi gert uppgötvun sem sveipar eitt af dularfyllstu fyrirbrigðum geimsins enn meiri dulúð.

 

Öll reiknilíkön sýna að þyngd nifteindastjörnu getur ekki verið minni en 1,4 sólmassar. Hér hafa Doroshenko og félagar þó fundið örstjörnu sem ekki fellur að þessari viðteknu kenningu.

Nifteindastjarnan HESS J1731-374 vegur nefnilega aðeins helming þess sem hún ætti að gera. Uppgötvunin snýr þekkingu manna á nifteindastjörnum á haus og þetta gæti bent til að jafnvel nifteindir geti þjappast í enn minni einingar og þannig myndað enn óþekktar gerðir stjarna.

 

Efnið er gríðarþétt

Nifteindastjarna er afar efnisþétt og aðeins um 30 km í þvermál en vegur hins vegar allt upp í tvöfalt meira en sólin. Þessar gríðarþungu dvergstjörnur myndast þegar sólstjörnur sem voru 8 til 20 sinnum þyngri en sólin hafa brennt upp öllu eldsneyti sínu og springa sem sprengistjörnur.

 

Meðan stjarnan lifir vinnur bruninn í kjarna stjörnunnar gegn þyngdaraflinu sem leitast við að fella stjörnuna saman. En þegar eldsneytið er uppurið, tekur þyngdaraflið öll völd. Ytri gaslög falla inn í kjarnann úr öllum áttum og þjappa honum saman í minna en milljónasta hluta af upphaflegri stærð. Þetta veldur því að efnið breytir um ástand.

 

Frumeindirnar malast, róteindir gleypa rafeindir og breytast í nifteindir sem þjappast saman í litla, þétta og ofurþunga stjörnu.

30 km er þvermál nifteindastjörnunnar – en hún er tvöfalt þyngri en sólin.

Í öðrum stjörnum heldur hinn svonefndi sterki kjarnakraftur róteindum og nifteindum þétt saman í kjarna frumeindar en þar eð þessi kraftur vinnur gegn fráhrindandi afli hinna jákvætt hlöðnu róteinda í kjarnanum, eru því takmörk sett hve mikið er unnt að þjappa efninu saman.

 

Í nifteindastjörnu er kjarninn nær einvörðungu gerður úr nifteindum sem ekki hrinda hver annarri frá sér. Þess vegna getur efnisþéttnin orðið svo gríðarleg að ein teskeiðarfylli af þessum þjöppuðu nifteindum vegur meira en einn milljarður tonna.

 

Það er erfitt að mæla stærð nifteindastjarna því þær gefa ekki frá sér sýnilegt ljós, heldur aðeins röntgengeislun. Til að hafa einhverja hugmynd um stærð og þyngd nifteindastjarna þarf að þekkja fjarlægðina og til að mæla hana þarf að nýta aðrar stjörnur í nágrenninu.

 

Nifteindastjarnan allt of lítil

Margar þekktar nifteindastjörnur mynda tvístirni ásamt annarri stjörnu. Í slíkum tilvikum er unnt að mæla vegalengdina til sýnilegu stjörnunnar og þar með til nifteindastjörnunnar. Eftir þetta er svo gerlegt að reikna stærð nifteindastjörnunnar. Einmitt þessa aðferð notuðu Victor Doroshenko og félagar hans til að mæla stærð og þyngd nifteindastjörnunnar HESS J1731-347 í stjörnumerkinu sporðdrekanum.

 

Nifteindastjarnan er enn hulin þykku rykskýi eftir að sprengistjarnan tættist í sundur og grannstjarnan varpar skini í hana. Með aðstoð Gaia-gervihnattar ESA gátu stjörnufræðingarnir mælt fjarlægð grannstjörnunnar mjög nákvæmlega.

Gaia-gervihnötturinn hefur mælt vegalengdina til grannstjörnu nifteindastjörnunnar HESS J1731-347 og það gerði kleift að meta þyngdina.

Á hálfu ári færast jörðin og Gaia um 300 milljón kílómetra leið hinum megin við sólina og frá ystu punktum þessarar leiðar hefur gervitunglið greint tvíburastjörnuna.

 

Mælingarnar leiða í ljós að sýnilega stjarnan – og þá nifteindastjarnan líka – eru um 8.000 ljósár frá jörðu sem var mun styttra en menn höfðu haldið.

 

Þegar fjarlægðin var þekkt gat Victor Doroshenko skoðað stærð nifteindastjörnunnar. Því öflugri röntgengeislun sem nifteindastjarna sendir frá sér í hlutfalli við fjarlægðina, því stærri og þyngri er hún.

 

Athuganirnar sýndu hins vegar að HESS J1731-734 sendir frá sér daufari röntgengeislun en ætla mætti við svo litla fjarlægð og hlýtur því að vera bæði minni og léttari en stjörnufræðingar hafa talið mögulegt.

Nifteindastjörnur fæðast í sprengingu sprengistjörnu þegar kjarninn fellur saman og við skiljum ekki hvernig slíkt ferli getur skilað svo lítilli nifteindastjörnu. Við vitum ekki hvort kvarkastjörnur eru til en sé svo gæti það skýrt hve lítill massi er í stjörnunni sem við höfum athugað.
Victor Doroshenko stjörnufræðingur

Þýsku vísindamennirnir hafa reiknað út að þessi ofurþungi dvergur sé aðeins um 0,77 sólmassar og ekki nema 20,8 km í þvermál. Það er í æpandi mótsögn við meginkenningu stjörnufræðinganna sem segir að nifteindastjörnur séu sjaldnast léttari en 1,4 sólmassar.

 

„Nifteindastjörnur fæðast í sprengingu sprengistjörnu þegar kjarninn fellur saman og við skiljum ekki hvernig slíkt ferli getur skilað svo lítilli nifteindastjörnu,“ segir Victor Doroshenko við Lifandi vísindi.

Nifteindastjarna er samanfallinn risi

Þegar risastór stjarna springur fellur kjarninn saman og myndar nifteindastjörnu. Þyngd nýfundnu stjörnunnar ætti þó betur við sólina en slíkar stjörnur þenjast bara út en springa ekki, í lok æviskeiðsins.

Sviðsmynd 1: Risastjarna myndar svarthol

Allra stærstu stjörnurnar eru meira en 260 sólmassar. Þær enda sem sprengistjörnur en eftir sprenginguna fellur kjarninn saman í massíft svarthol, allt að 50 sólmassar að þyngd. Stjörnur með 20-100 sólmassa mynda a.m.k. 2,6 sólmassa svarthol.

Sviðsmynd 2: Andefni leysir risastjörnu upp

Þegar risastjörnur, 100-260 sólmassar að stærð, verða að sprengistjörnum, ummyndar hitinn í kjarnanum nokkuð af efninu í andefni. Þá verður sprengingin svo öflug að allur massi þeytist út í geiminn og stjarnan leysist alveg upp.

Sviðsmynd 3: Kjarninn þjappast í nifteindir

Þegar þyngdaraflið veldur því að risastjarna með 8-20 sólmassa fellur saman, þrýstist járnkjarninn svo mikið saman að úr verður nifteindastjarna með 1,4-2,1 sólmassa. Ytri lögin þeytast út í geiminn við sprengingu stjörnunnar.

Sviðsmynd 4: Dvergstjarnan er ráðgáta

Nifteindastjarnan HESS J1731-347 er aðeins 0,77 sólmassar og ætti ekki að vera til. Stjörnur sem eru 1-8 sólmassar þenjast nefnilega út í rauða risa áður en þær dragast saman í hvíta dverga og slokkna.

Sé kenningarmódelið sveigt til hins ítrasta má fræðilega ímynda sér nifteindastjörnu með 1,1 sólmassa en massi HESS J1371-734 fellur talsvert utan við þann ramma.

 

Gæti verið úr kvörkum

Þessi þversögn skapar þörf fyrir nýja kenningu um hinar dularfullu stjörnur.

 

Ný hugmynd byggir á því að kjarni stjörnu geti orðið enn þéttari en nifteindirnar gefa tilefni til. Það gæti gerst þannig að nifteindirnar sjálfar sundrist og úr verði súpa lausra kvarka sem hefði nánast óskiljanlega þéttni.

Nú gætum við fundið leynilegar tímavélar alheimsins

Í geimnum gætu leynst fjölmörg svonefnd ormagöng, eins konar skammleiðir gegnum bæði tíma og rúm. Ormagöngin hafa verið okkur ósýnileg en nú hafa eðlisfræðingar uppgötvað aðferðir sem gætu veitt okkur aðgang að þessum innbyggðu tímavélum alheimsins.

 

Lestu einnig:

„Ef venjulegt efni umbreytist skyndilega í kvarkasúpu í kjarna nifteindastjörnu veldur það sprengingu sem þeytir nifteindum í ytra laginu út í geiminn og dregur þannig úr heildarmassanum. Hafi þetta gerst í HESS J1731-347, gæti það skýrt hve massinn er furðulega lítill,“ útskýrir Victor Doroshenko.

 

Nifteindir í kjarnanum gætu líka ummyndast í svonefndar píónur, gerðar úr kvarka og andkvarka. Almennt springa píónur á sekúndubroti en undir gríðarlegum þrýstingi í kjarna nifteindastjörnu gætu þær haldist stöðugar.

 

Skammtafræðilegt ástand þeirra væri þá fullkomlega samræmt þannig að kjarninn hegðaði sér eins og ein gríðarstór og massamikil frumeind.

 

Þriðja hugmyndin er sú að kjarninn umbreytist í eins konar stökkbreyttar nifteindir, kallaðar háeindir sem gætu þá mögulega myndað enn meiri þéttni en venjulegar nifteindir.

Þrjár kenningar geta skýrt eðli kjarnans

Yst á nifteindastjörnunni er þunnt gufuhvolfslag en undir því þykkt lag frumeindakjarna og nifteinda. Stærsta ráðgátan er innri kjarninn þar sem efnið getur tekið á sig framandlegt ástand, óþekkt annars staðar í alheiminum.

Kenning 1: Kjarninn er kvarkasúpa

Þéttnin í nifteindastjörnunni er sú mesta sem efninu leyfist áður en hún umbreytist í svarthol. Þrýstingurinn gæti malað sundur nifteindir og breytt þeim í þétta súpu úr upp- og niðurkvörkum.

Kenning 2: Kjarninn er tröllvaxin frumeind

Píónur eru eindir gerðar úr uppkvarka og andniðurkvarka. Sé skammtaástand píónanna samræmt og nákvæmlega eins, gætu þær hegðað sér eins og ofurþétt tröllvaxin frumeind sem myndar kjarnann.

Kenning 3: Kjarninn er úr stökkbreyttum nifteindum

Kjarninn gæti verið úr stökkbreyttum nifteindum, háeindum sem þá ná enn meiri þéttni. Í háeind eru þrír kvarkar eins og í róteindum og nifteindum en einn kvarkanna er mjög þungur sérkvarki.

Vilja sjá inn í stjörnuna

Í leitinni að því sem nákvæmlega gerist í kjarna nifteindastjörnu og hvernig efni hegðar sér við mestu hugsanlegu þéttni í alheiminum binda vísindamenn vonir við sjónauka sína.

 

Aukin nákvæmni í mælingum á hlutföllum massa og stærðar nifteindastjarna getur nefnilega gefið áreiðanlegri upplýsingar um innri byggingu þeirra.

 

Og hér verður HESS J1731-347 í aðalhlutverki.

 

Flestar nifteindastjörnur snúast marga hringi á mínútu og hafa öflugt segulsvið en HESS J1731-347 er hógværari. Það auðveldar mælingar og gerir niðurstöðurnar traustari.

 

Það er á áætlun ESA að skjóta upp nýjum röntgensjónauka 2035. Sjónaukinn kallast Athena og á að geta fangað mun meiri röntgengeislun frá þessari nifteindastjörnu og gert nákvæmari mælingar.

ESA ákveður fljótlega hvort röntgensjónaukinn Athena verði sendur á loft 2035. Athena gæti mælt massa og stærð nifteindastjörnunnar mjög nákvæmlega.

Hvort heldur þær mælingar sýna að kjarninn sé gerður úr venjulegum nifteindum, kvarkasúpu, stökkbreyttum nifteindum eða sé einhvers konar ofvaxin ofurfrumeind, þá er hér um að ræða eitthvert þéttasta ástand sem efni í geimnum getur tekið á sig.

 

„Þéttist efnið enn meira, þá er svarthol næsta stig,“ segir Victor Doroshenko.

 

Og einmitt þessi mörk sem ákvarða hvenær ofurþétt efni myndar nifteindastjörnu og hvenær það skapar ofboðslega sveigju í rúmtímann og verður að svartholi, þykja vísindamönnunum sérstaklega áhugaverð.

 

Skilningur á þessum mörkum gæti nefnilega sameinað skammtafræðina sem lýsir veröld frumeindanna og afstæðiskenninguna sem lýsir þyngdaraflinu og geimnum.

 

Þar með væri ekki aðeins hulunni svipt af innviðum nifteindastjarna, heldur kynnu eðlisfræðingar að hafa í höndunum hina langþráðu kenningu um eðli allra hluta.

HÖFUNDUR: ROLF HAUGAARD NIELSEN

© FOREAL,© Victor Doroshenko,© Shutterstock & Lotte Fredslund,© ESA,

Maðurinn

Kornabörn þekkja móðurmálið sitt

Alheimurinn

Tvíburi Vetrarbrautarinnar finnst í útjaðri alheimsins

Alheimurinn

Tvíburi Vetrarbrautarinnar finnst í útjaðri alheimsins

Lifandi Saga

Hvers vegna klæddust fangar röndóttum búningum í gamla daga?

Lifandi Saga

Hvers vegna klæddust fangar röndóttum búningum í gamla daga?

Náttúran

Topp 5: Hvaða dýr stunda lengsta mökun?

Lifandi Saga

Sósíaldarwinistarnir lýstu yfir stríði gegn fátækum

Lifandi Saga

BNA á barmi borgarastyrjaldar: Nasista-prestur vildi bylta lýðræðinu

NÝJASTA NÝTT

Náttúran

Af hverju eru lauf trjáa með mismunandi lögun?

Jörðin

99 stórborgir eru að sökkva

Maðurinn

Munnvatnið er fullt af eitri

Maðurinn

Gæludýr koma í veg fyrir offitu og ofnæmi meðal barna

Náttúran

Hvernig bárust kettir til Ameríku?

Heilsa

Er mikið um kyrrsetu hjá þér í vinnunni? Þá getur kaffi lengt líf þitt samkvæmt stórri rannsókn.

Heilsa

Lækning gegn útbreiddum meltingartruflunum finnst í flestum eldhúsum.

Náttúran

Jörðin eftir manninn: Svona munu leifar siðmenningar okkar hverfa

Heilsa

Læknar hafa grætt heilt auga í mann

Maðurinn

Nú geta vísindamenn ráðskast með drauma okkar

Náttúran

Af hverju eru lauf trjáa með mismunandi lögun?

Jörðin

99 stórborgir eru að sökkva

Maðurinn

Munnvatnið er fullt af eitri

Maðurinn

Gæludýr koma í veg fyrir offitu og ofnæmi meðal barna

Náttúran

Hvernig bárust kettir til Ameríku?

Heilsa

Er mikið um kyrrsetu hjá þér í vinnunni? Þá getur kaffi lengt líf þitt samkvæmt stórri rannsókn.

Heilsa

Lækning gegn útbreiddum meltingartruflunum finnst í flestum eldhúsum.

Náttúran

Jörðin eftir manninn: Svona munu leifar siðmenningar okkar hverfa

Heilsa

Læknar hafa grætt heilt auga í mann

Maðurinn

Nú geta vísindamenn ráðskast með drauma okkar

Fáðu aðgang að vÍSINDI.IS

Ókeypis í 2 vikur!

 

Eftir það kostar eingöngu 1.390 kr. á mánuði og enginn uppsagnarfrestur.

 

Innifalið er aðgangur að öllum greinum á vefnum ásamt rafræna útgáfu af nýjustu tölublöðunum.

  • Fullur aðgangur að visindi.is
  • Frábærar myndir og myndbönd
  • Aðgengilegt í öllum snjalltækjum
  • Fullur aðgangur að gríðarlegu magni eldri greina
  • Nýjustu tölublöðin í rafrænu formi

Lifandi Saga

Nasistaveiðar meðal óvina 

Lifandi Saga

Nasistaveiðar meðal óvina 

Lifandi Saga

Nasistar leituðu arísks menningarheims í Tíbet

Lifandi Saga

Nasistar leituðu arísks menningarheims í Tíbet

Glæpir

Newton upprætti peningafölsun í Englandi

Lifandi Saga

5 ástæður þess að BNA er einungis með tvo flokka 

Lifandi Saga

Hvers vegna hættu karlar að ganga með hatt?

Lifandi Saga

Versti óvinur skógareldanna

Vinsælast

1

Heilsa

Lækning gegn útbreiddum meltingartruflunum finnst í flestum eldhúsum.

2

Maðurinn

Gæludýr koma í veg fyrir offitu og ofnæmi meðal barna

3

Maðurinn

Munnvatnið er fullt af eitri

4

Heilsa

Er mikið um kyrrsetu hjá þér í vinnunni? Þá getur kaffi lengt líf þitt samkvæmt stórri rannsókn.

5

Náttúran

Jörðin eftir manninn: Svona munu leifar siðmenningar okkar hverfa

6

Jörðin

99 stórborgir eru að sökkva

1

Maðurinn

Gæludýr koma í veg fyrir offitu og ofnæmi meðal barna

2

Maðurinn

Munnvatnið er fullt af eitri

3

Heilsa

Er mikið um kyrrsetu hjá þér í vinnunni? Þá getur kaffi lengt líf þitt samkvæmt stórri rannsókn.

4

Jörðin

99 stórborgir eru að sökkva

5

Náttúran

Hvernig bárust kettir til Ameríku?

6

Náttúran

Af hverju eru lauf trjáa með mismunandi lögun?

Maðurinn

Göngutúr heldur heilanum heilbrigðum

Menning og saga

5 fornleifafundir sem raskað hafa sögu mannsins

Tækni

Allir vildu eiga pýramída

Maðurinn

Svo hættuleg er loftmengun fyrir lungun

Lifandi Saga

Af hvaða kynstofni var Kleópatra?

Lifandi Saga

Kitty var Kim Kardashian 18. aldar

Heilsa

Bakteríurnar þrífast vel í handklæðinu þínu

Lifandi Saga

Voru víkingarnir húðflúraðir?

Menning

Þess vegna verða konur þreyttar á (sumum) körlum

Náttúran

Í frysti frá dánarstund

Heilsa

Hinn týndi hlekkur milli krabbameins og mataræðis ef til vill fundinn

Heilsa

Vísindamenn: Miklir kostir þess að nota stigann frekar en lyftuna.

Af hverju eru lauf trjáa með mismunandi lögun?

Þegar ég skoða laufblöð trjáa tek ég eftir því hversu ólík þau eru í raun og veru. Er það tilviljun eða hefur lögun blaðsins hlutverk?

Náttúran

ÁSKRIFT AÐ VÍSINDI.IS

Prófaðu í 14 daga ókeypis!

  • Fullur aðgangur að vefnum okkar með tæplega 3000 skemmtilegum og spennandi greinum um allt milli himins og jarðar á sviði vísinda og sögu.
  • Lifandi vísindi/Lifandi saga í rafrænni útgáfu á vefnum,
  • Aðeins 1.690 krónur á mánuði.
  • Engin skuldbinding – Þú getur hætt hvenær sem er.

ÁSKRIFT AÐ TÍMARITINU

Þrjú tölublöð + gjöf: Skemmtilegur sjónauki
  • Þrjú næstu tölublöð Lifandi vísinda/Lifandi sögu – sent heim til þín – eins færðu lítinn og vandaðan sjónauka að gjöf.
  • Fullur aðgangur að vefnum okkar – visindi.is – með tæplega 3000 skemmtilegum og spennandi greinum um allt milli himins og jarðar á sviði vísinda og sögu.
  • Spennandi greinar og flottar myndir sem svala forvitni þinni.
  • Þú getur hætt eftir tilboðið en ef þú heldur áfram skuldbindur þú þig aðeins þrjú tölublöð í einu og þú getur sagt upp hvenær sem sem og klárar þá tímabilið sem er hafið.
  • Venjuleg áskrift – þrjú tölublöð – kostar aðeins 7.590 kr

Sjónauki og þriggja blaða áskrift – Alls 3.800 kr.

Lifandi vísindi

Lyf

Lifandi saga

Search

Ertu áskrifandi að tímaritinu?

Áskrifendur að tímaritinu geta fengið frían aðgang að vefnum hér.

Innskráning

Ertu áskrifandi að tímaritinu?

Áskrifendur að tímaritinu geta fengið frían aðgang að vefnum hér.

Viltu lesa greinina?

Fáðu aðgang að visindi.is

Ókeypis í 2 vikur!

Eftir það kostar eingöngu 1.390 kr. á mánuði og enginn uppsagnarfrestur.

Innifalið er aðgangur að öllum greinum á vefnum ásamt rafræna útgáfu af nýjustu tölublöðunum.

  • Fullur aðgangur að visindi.is
  • Frábærar myndir og myndbönd
  • Aðgengilegt í öllum snjalltækjum
  • Fullur aðgangur að gríðarlegu magni eldri greina
  • Nýjustu tölublöðin í rafrænu formi

Núverandi áskrifendur að tímaritinu fá að sjálfsögðu ókeypis aðgang að vefnum og þurfa bara að virkja aðgang sinn hér.

Ef þú ert þegar áskrifandi að visindi.is