About once every century, a massive star somewhere in our galaxy runs out of fuel. This happens after millions of years of heat and pressure have fused the star’s hydrogen into heavier elements like helium, carbon, and nitrogen— all the way to iron. No longer able to produce sufficient energy to maintain its structure, it collapses under its own gravitational pressure and explodes in a supernova. The star shoots most of its innards into space, seeding the galaxy with heavy elements. But what this cataclysmic eruption leaves behind might be even more remarkable: a ball of matter so dense that atomic electrons collapse from their quantum orbits into the depths of atomic nuclei. The death of that star is the birth of a neutron star: one of the densest known objects in the universe, and a laboratory for the strange physics of supercondensed matter.
בערך כל מאה שנה, לכוכב מאסיבי היכן שהוא בגלקסיה נגמר הדלק. זה קורה אחרי שמליוני שנים של חום ולחץ התיכו את המימן של הכוכב ליסודות כבדים יותר כמו הליום, פחמן, וחנקן -- כל הדרך עד ברזל. כשהוא לא מסוגל יותר לייצר מספיק אנרגיה כדי לשמור על המבנה שלו, הוא קורס תחת הלחץ הכבידתי שלו ומתפוצץ בסופרנובה. הכוכב משגר את רוב תוכנו לחלל, ומזריע את הגלקסיה ביסודות כבדים. אבל אבל מה שההתפרצות הקטקליזמית הזו משאירה מאחור היא אולי אפילו יותר מיוחדת: כדור של חומר כל כך דחוס שאלקטרונים אטומיים קורסים מהמסלולים הקאוונטיים שלהם לתוך גלעין האטום. מות הכוכב הזה הוא לידתו של כוכב ניוטרונים: אחד האובייקטים הכי דחוסים ביקום, ומעבדה לפיזיקה המוזרה של חומר סופר דחוס.
But what is a neutron star? Think of a compact ball inside of which protons and electrons fuse into neutrons and form a frictionless liquid called a superfluid— surrounded by a crust. This material is incredibly dense – the equivalent of the mass of a fully-loaded container ship squeezed into a human hair, or the mass of Mount Everest in a space of a sugar cube. Deeper in the crust, the neutron superfluid forms different phases that physicists call “nuclear pasta,” as it’s squeezed from lasagna to spaghetti-like shapes.
אבל מה הוא כוכב ניוטרונים? חשבו על כדור דחוס בו פרוטונים ואלקטרונים ניתכים לניוטרונים ויוצרים נוזל נטול חיכוך שנקרא סופר נוזל -- מוקף בקרום. החומר הזה הוא דחוס בצורה יוצאת דופן -- שווה ערך למאסה של אוניית מכולות עמוסה לגמרי דחוס לתוך שערה אנושית, או המאסה של הר אוורסט בתוך קוביות סוכר. עמוק יותר בתוך הקרום, סופר נוזל הניוטרונים יוצר פאזות שונות שפיזיקאים קוראים להן "פסטה גלעינית," כיון שהן נלחצות מצורת לזניה לספגטי.
The massive precursors to neutron stars often spin. When they collapse, stars that are typically millions of kilometers wide compress down to neutron stars that are only about 25 kilometers across. But the original star’s angular momentum is preserved. So for the same reason that a figure skater’s spin accelerates when they bring in their arms, the neutron star spins much more rapidly than its parent. The fastest neutron star on record rotates over 700 times every second, which means that a point on its surface whirls through space at more than a fifth of the speed of light. Neutron stars also have the strongest magnetic field of any known object. This magnetic concentration forms vortexes that radiate beams from the magnetic poles. Since the poles aren’t always aligned with the rotational axis of the star, the beams spin like lighthouse beacons, which appear to blink when viewed from Earth. We call those pulsars. The detection of one of these tantalizing flashing signals by astrophysicist Jocelyn Bell in 1967 was in fact the way we indirectly discovered neutron stars in the first place. An aging neutron star’s furious rotation slows over a period of billions of years as it radiates away its energy in the form of electromagnetic and gravity waves.
מה שקודם לכוכב ניוטרונים הרבה פעמים מסתובב. כשהם קורסים, כוכבים שבדרך כלל ברוחב מליוני קילומטרים נדחסים לכוכבי ניוטרונים בקוטר של בערך 25 קילומטר. אבל המומנטום הזוויתי המקורי של הכוכב נשמר. אז מאותה סיבה שמחליקים אמנותיים מסתובבים מהר יותר כשהם מכנסים את זרועותיהם, כוכבי ניוטרונים מסתובבים הרבה יותר מהר מקודמיהם. כוכבי הניוטרונים המהירים ביותר מתועדים כמסתובבים כ 700 פעמים בשניה, מה שאומר שנקודה על פני השטח מסתובבת במרחב ביותר מחמישית ממהירות האור. לכוכבי ניוטרונים יש גם את השדה המגנטי החזק ביותר הידוע. הריכוז המגנטי הזה יוצר מערבולות שמקרינות קרניים מהקטבים המגנטיים. מאחר והקטבים לא תמיד מיושרים עם ציר הסיבוב של הכוכב, הקרניים מסתובבות כמו אלומות של מגדלור, ונראים כאילו הם מהבהבים מכדור הארץ. אנחנו קוראים להם פולסארים. הזיהוי של אחד מהאותות המפתים והמנצנצים האלה על ידי האסטרופיזיקאית ג'וסלין בל ב 1967 היתה למעשה הדרך בה גילינו לא ישירות כוכבי ניוטרונים מלכתחילה. המהירות האדירה של כוכב ניוטרונים מזדקן מאיטה במשך מיליארדי שנים כשהוא מקרין החוצה את האנרגיה שלו בצורה של גלים אלקטרו מגנטיים וכבידתיים.
But not all neutron stars disappear so quietly. For example, we’ve observed binary systems where a neutron star co-orbits another star. A neutron star can feed on a lighter companion, gorging on its more loosely bound atmosphere before eventually collapsing cataclysmically into a black hole.
אבל לא כל כוכבי הניוטרונים נעלמים כל כך בשקט. לדוגמה, צפינו במערכות בינאריות בהן כוכב ניוטרונים מקיף במשותף כוכב אחר. כוכב ניוטרונים יכול להיזון משותפים קלים יותר, בולס על האטמוספירה הפחות דחוסה לפני שהוא קורס לבסוף באופן קטקליזמי לחור שחור.
While many stars exist as binary systems, only a small percentage of those end up as neutron-star binaries, where two neutron stars circle each other in a waltz doomed to end as a merger. When they finally collide, they send gravity waves through space-time like ripples from a stone thrown into a calm lake.
בעוד הרבה כוכבים קיימים כמערכות בינאריות, רק אחוז קטן מאלה מגיעים להיות זוגות בינאריים עם כוכבי ניוטרונים, בהם שני כוכבי ניטרונים מקיפים אחד את השני בוואלס שגורלו מיזוג. כשהם מתנגשים לבסוף, הם שולחים גלי כבידה בחלל זמן כמו גלים מאבן שנזרקה לאגם רגוע.
Einstein’s theory of General Relativity predicted this phenomenon over 100 years ago, but it wasn't directly verified until 2017, when gravitational-wave observatories LIGO and VIRGO observed a neutron star collision. Other telescopes picked up a burst of gamma rays and a flash of light, and, later, x-rays and radio signals, all from the same impact. That became the most studied event in the history of astronomy. It yielded a treasure trove of data that’s helped pin down the speed of gravity, bolster important theories in astrophysics, and provide evidence for the origin of heavy elements like gold and platinum.
התאוריה של איינשטיין של היחסות הכללית חזתה את התופעה לפני יותר מ 100 שנה, אבל היא לא אומתה ישירות עד 2017, כשמצפי הגלים הכבידתיים LIGO ו VIRGO צפו בהתנגשות כוכבי ניוטרונים. טלסקופים אחרים חזו בפרץ קרני גמא והבזק של אור, ומאוחר יותר, קרני X ואותות רדיו, כולם מאותה התנגשות. זה הפך לארוע הכי נחקר בהסטוריה של האסטרונומיה. זה סיפק תיבת אוצר של מידע שעזרה למקם את המהירות של הכבידה, לחזק תאוריות חשובות באסטרופיזיקה, וסיפקה עדות למקור של היסודות הכבדים כמו זהב ופלטינה.
Neutron stars haven’t given up all their secrets yet. LIGO and VIRGO are being upgraded to detect more collisions. That’ll help us learn what else the spectacular demise of these dense, pulsating, spinning magnets can tell us about the universe.
כוכבי ניוטרונים לא הסגירו את כל הסודות שלהם עדיין. LIGO ו VIRGO משודרגים לזהות יותר התנגשויות. זה יעזור לנו ללמוד מה עוד המוות יוצא הדופן של המגנטים הדחוסים הפועמים המסתובבים האלה יכול לספר לנו על היקום.