NASA: s Chandra röntgenobservatorium har upptäckt det första direkta beviset för ett överflödigt, ett bisar, friktionsfritt tillstånd, i kärnan av en neutronstjärna.
Bilden ovan, släppt idag, visar röntgenstrålar från Chandra (röd, grön och blå) och optiska data från Hubble (guld) från Cassiopeia A, resterna av en massiv stjärna som exploderade i en supernova. Beviset för överflödigt har hittats i den täta kärnan i stjärnan som är kvar, en så kallad neutronstjärna. Konstnärens illustration i insättningen visar en utskärning av neutronstjärnans inre, där densiteterna ökar från den orange skorpan till den röda kärnan och slutligen till den inre röda bollen, det område där överflödet finns.
Superfluider skapade i laboratorier på jorden uppvisar anmärkningsvärda egenskaper, såsom förmågan att klättra uppåt och undkomma lufttäta behållare. När de är gjorda av laddade partiklar är superfluider också superledare, och de tillåter elektrisk ström att flöda utan motstånd. Sådana material på jorden har utbredda tekniska tillämpningar som att producera de superledande magneterna som används för magnetisk resonansavbildning [MRI].
Två oberoende forskargrupper har använt Chandra-data för att visa att det inre av en neutronstjärna innehåller överflödigt och supraledande ämne, en slutsats med viktiga konsekvenser för att förstå nukleära interaktioner i materien med de högsta kända densiteterna. Teamen publicerar sin forskning separat i tidskrifterna Månadsmeddelanden om Royal Astronomical Society Letters och Fysiska granskningsbrev.
Cas A (RA 23h 23m 26.7s | Dec + 58 ° 49 ′ 03.00) ligger ungefär 11 000 ljusår bort. Dess stjärna exploderade för ungefär 330 år sedan i jordens tidsram. En sekvens av Chandra-observationer av neutronstjärnan visar att det nu kompakta objektet har svalnat med cirka 4 procent under en tioårsperiod.
"Denna temperatursänkning, även om den låter liten, var verkligen dramatisk och överraskande att se," sade Dany Page från National Autonomous University i Mexiko, ledare för ett av de två lagen. "Detta betyder att något ovanligt händer inom denna neutronstjärna."
Neutronstjärnor innehåller den tätaste kända materien som är direkt observerbar; en tesked neutronstjärnmaterial väger sex miljarder ton. Trycket i stjärnkärnan är så högt att de flesta av de laddade partiklarna, elektronerna och protonerna smälter samman - vilket resulterar i en stjärna som huvudsakligen består av neutroner.
De nya resultaten tyder starkt på att de återstående protonerna i stjärnkärnan är i ett överflödigt tillstånd och, eftersom de bär en laddning, också bildar en superledare.
Båda lagen visar att den snabba nedkylningen i Cas A förklaras av bildandet av en neutronsurfluid i kärnan i neutronstjärnan inom ungefär de senaste 100 åren, sett från jorden. Den snabba kylningen förväntas fortsätta i några decennier, och då borde den sakta ner.
"Det visar sig att Cas A kan vara en gåva från universum eftersom vi skulle behöva fånga en mycket ung neutronstjärna precis vid rätt tidpunkt," sade Sidas medförfattare Madappa Prakash, från Ohio University. "Ibland kan lite lycka gå långt inom vetenskapen."
Uppkomsten av överflödighet i material på jorden inträffar vid extremt låga temperaturer nära absolut noll, men i neutronstjärnor kan det förekomma vid temperaturer nära en miljard grader Celsius. Fram till nu var det en mycket stor osäkerhet i uppskattningarna av denna kritiska temperatur. Denna nya forskning begränsar den kritiska temperaturen till mellan en halv miljard till knappt en miljard grader.
Cas A kommer att göra det möjligt för forskare att testa modeller av hur den starka kärnkraften, som binder subatomära partiklar, beter sig i ultradens. Dessa resultat är också viktiga för att förstå ett antal beteenden i neutronstjärnor, inklusive "glitches", neutronstjärns precession och pulsering, magnetutbrott och utvecklingen av neutronstjärnmagnetiska fält.
Källor: Pressmeddelanden från Royal Astronomical Society och Harvard. Se ytterligare multimedia på NASA: s Chandra-sida och de två studierna i MNRAS och Phys. Rev. Letters.
