Αστροφυσικοί στο Πανεπιστήμιο Γκαίτε της Φρανκφούρτης έθεσαν ένα νέο όριο για τη μέγιστη μάζα των άστρων νετρονίων: Δεν μπορεί αυτή να υπερβαίνει τις 2,16 ηλιακές μάζες. Από την ανακάλυψή των άστρων νετρονίων το 1960, οι επιστήμονες έχουν προσπαθήσει να απαντήσουν σε ένα σημαντικό ερώτημα: Πόσο μεγάλα μπορεί να γίνουν τα αστέρια νετρονίων; Σε αντίθεση με τις μαύρες τρύπες, αυτά τα αστέρια δεν μπορούν να αποκτήσουν οποιαδήποτε μάζα. Μετά από ένα ορισμένο όριο, δεν υπάρχει φυσική δύναμη στη φύση που να μπορεί να αντιμετωπίσει την τεράστια βαρυτική δύναμη τους. Για πρώτη φορά λοιπόν, οι αστροφυσικοί στο Πανεπιστήμιο Γκαίτε πέτυχαν να υπολογίσουν ένα αυστηρό ανώτατο όριο για τη μέγιστη μάζα των άστρων νετρονίων.
Εκπομπή βαρυτικών κυμάτων κατά τη διάρκεια μιας συγχώνευσης δύο άστρων νετρονίων
Με μια ακτίνα περίπου δώδεκα χιλιομέτρων και μάζα που μπορεί να είναι διπλάσια από αυτή του ήλιου μας, τα αστέρια νετρονίων είναι από τα πυκνότερα αντικείμενα στο σύμπαν, ενώ παράγουν βαρυτικά πεδία συγκρίσιμα με αυτά των μαύρων οπών. Ενώ οι περισσότεροι αστέρες νετρονίων έχει μάζα περίπου 1,4 φορές εκείνη του ήλιου, έχουμε γνωστά παραδείγματα, όπως το πάλσαρ PSR J0348 + 0432 με 2.01 ηλιακές μάζες.
Η πυκνότητα από αυτά τα αστέρια είναι τεράστια, σαν τα Ιμαλάια να συμπιέστηκαν σε μια κούπα. Ωστόσο, υπάρχουν ενδείξεις ότι ένα αστέρι νετρονίων με μέγιστη μάζα θα καταρρεύσει σε μια μαύρη τρύπα, αν προστεθεί έστω και ένα μόνο νετρόνιο.
Οι αστροφυσικοί στο Πανεπιστήμιο Γκαίτε έλυσαν τώρα το πρόβλημα που είχε παραμείνει αναπάντητο εδώ και 40 χρόνια : Με μεγάλη ακρίβεια, η μέγιστη μάζα των μη περιστρεφόμενων άστρων νετρονίων δεν μπορεί να υπερβαίνει τις 2,16 ηλιακές μάζες.
Η βάση για αυτό το αποτέλεσμα ήταν η προσέγγιση των «καθολικών σχέσεων», που αναπτύχθηκε στη Φρανκφούρτη πριν από λίγα χρόνια. Η ύπαρξη των «καθολικών σχέσεων» σημαίνει ότι σχεδόν όλα τα αστέρια νετρονίων «μοιάζουν μεταξύ τους», πράγμα που σημαίνει ότι οι ιδιότητές τους μπορεί να εκφραστούν με βάση αδιάστατων μεγεθών. Οι ερευνητές συνδύασαν αυτές τις «καθολικές σχέσεις» με δεδομένα από τα πρόσφατα σήματα των βαρυτικών κυμάτων και την επακόλουθη ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία (kilonova), που λήφθηκε κατά τη διάρκεια της παρατήρησης των δύο συγχωνευόμενων άστρων νετρονίων στο πλαίσιο του πειράματος LIGO. Αυτό βεβαίων απλοποιεί τους υπολογισμούς επειδή τους κάνει να είναι ανεξάρτητους από την εξίσωση της κατάστασης. Η εξίσωση αυτή είναι ένα θεωρητικό μοντέλο για την περιγραφή της πυκνής ύλης μέσα σε ένα αστέρι, που μας παρέχει πληροφορίες σχετικά με τη σύνθεση του σε διάφορα βάθη μέσα στο άστρο.
Το αποτέλεσμα αυτό είναι ένα καλό παράδειγμα της αλληλεπίδρασης μεταξύ θεωρητικής και πειραματικής έρευνας. «Η ομορφιά της θεωρητικής έρευνας είναι ότι μπορεί να κάνει προβλέψεις. Η θεωρία, όμως, χρειάζεται απεγνωσμένα πειράματα για να περιορίσουμε κάποιες από τις αβεβαιότητες της», λέει ο φυσικός καθηγητής Luciano Rezzolla. «Ως εκ τούτου, είναι αρκετά αξιοσημείωτο το γεγονός ότι η παρατήρηση μιας συγχώνευσης δύο άστρων νετρονίων, που συνέβη εκατομμύρια έτη φωτός μακριά, σε συνδυασμό με τις σχέσεις που ανακαλύψαμε μέσα από τη θεωρητική εργασία μας, μας επέτρεψαν να λύσουμε ένα γρίφο που έχει δει τόσα πολλά να λέγονται στο παρελθόν.»
Η αστρονομία βαρυτικών κυμάτων αναμένεται να παρατηρήσει περισσότερα τέτοια γεγονότα στο άμεσο μέλλον, τόσο στην περιοχή των σημάτων των βαρυτικών κυμάτων, όσο και στις πιο παραδοσιακές περιοχές συχνοτήτων. Αυτό βεβαίως θα μειώσει περαιτέρω αβεβαιότητες σχετικά με τη μέγιστη μάζα των άστρων νετρονίων και να οδηγήσει στην καλύτερη κατανόηση της ύλης κάτω από ακραίες συνθήκες.
Αυτό το γεγονός θα προσομοιωθεί στους σύγχρονους επιταχυντές σωματιδίων, για παράδειγμα στο CERN ή το FAIR στη Γερμανία.
Τα αποτελέσματα της έρευνας δημοσιεύθηκαν στο The Astrophysical Journal. Μόλις λίγες ημέρες αργότερα, ερευνητικές ομάδες από τις ΗΠΑ και την Ιαπωνία επιβεβαίωσαν τα ευρήματα, παρά το γεγονός ότι μέχρι σήμερα ακολουθούνται διαφορετικές και ανεξάρτητες προσεγγίσεις.
