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.
„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.
