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.
Średnio raz na każde stulecie, gdzieś w naszej galaktyce ogromna gwiazda wyczerpuje swoje paliwo. Dzieje się to po milionach lat ciepła i ciśnienia przekształcającego wodór gwiazdy w cięższe elementy, jak hel, węgiel i azot, aż do żelaza. Nie mogąc dalej produkować tyle energii, by utrzymać swoją strukturę, gwiazda zapada się pod wpływem własnej grawitacji, eksplodując w supernową. Wyrzuca większość swojego wnętrza w przestrzeń, zasiewając galaktykę ciężkimi pierwiastkami. To, co pozostaje po tej gwałtownej eksplozji, jest nawet bardziej niezwykłe: kula materii tak gęstej, że elektrony atomowe zapadają się ze swoich orbit w głąb jądra atomowego. Śmierć gwiazdy to narodziny gwiazdy neutronowej, jednego z najgęstszych obiektów we wszechświecie i miejsca dziwnych procesów fizycznych zachodzących w super gęstej materii.
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.
Czym jest gwiazda neutronowa? Wyobraź sobie kulkę, której protony i elektrony łączą się w neutrony i tworzą beztarciowy płyn nazywany nadcieczą i otoczony powłoką. Ten płyn jest niesamowicie gęsty. Jest równy masie całkowicie załadowanego kontenerowca ściśniętego w ludzki włos albo masie Mount Everestu zmieszczonej w kostce cukru. Głębiej pod powłoką, neutronowa nadciecz przyjmuje różne stany skupienia, nazywane "nuklearnym makaronem", bo przybiera kształty podobne do lazanii lub spaghetti.
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.
Masywni poprzednicy gwiazd neutronowych często się obracają. Zapadając się, gwiazdy, których promienie mają miliony kilometrów, zostają ściśnięte do gwiazdy neutronowej o wielkości około 25 kilometrów. Tymczasem moment pędu pierwotnej gwiazdy pozostaje niezmienny. Z tego samego powodu, dla którego łyżwiarka przyśpiesza, składając ręce przy piruecie, gwiazda neutronowa kręci się znacznie szybciej niż jej przodek. Najszybsza odnotowana gwiazda neutronowa kręci się 700 razy na sekundę, co oznacza, że punkt na jej powierzchni obraca się w przestrzeni z prędkością mniej więcej jednej piątej prędkości światła. Gwiazdy neutronowe mają też najdziwniejsze pole magnetyczne ze znanych obiektów. Ta koncentracja pola magnetycznego tworzy tak zwane wiry, emitujące światło pola magnetycznego. Ponieważ bieguny nie zawsze odpowiadają osi obrotu gwiazdy, jej światło kręci się niczym latarnia morska, co wygląda z Ziemi, jakby mrugała. Nazywamy je pulsarami. Wykrycie jednego z tych hipnotyzujących sygnałów świetlnych przez astrofizyczkę Jocelyn Bell w 1967 roku, pozwoliło nam niebezpośrednio odkryć gwiazdy neutronowe. Starzejące się gwiazdy zaczynają zwalniać ten szalony obrót po miliardach lat, tracąc energię przez emitowanie jej w postaci fal elektromagnetycznych i grawitacyjnych.
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.
Ale nie wszystkie gwiazdy neutronowe znikają tak po cichu. Zaobserwowaliśmy układy podwójne, gdzie gwiazda neutronowa okrąża inną gwiazdę. Może też żywić się swoją jaśniejszą towarzyszką, pożerając jej luźniejszą atmosferę, zanim ta w końcu zapadnie się, tworząc czarną dziurę.
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.
Wiele gwiazd to układy podwójne, ale jedynie niewielki procent kończy jako układ gwiazd neutronowych, gdzie dwie takie gwiazdy okrążające się nawzajem, w końcu zderzają się. Kiedy wreszcie to następuje, przesyłają fale grawitacyjne przez czas i przestrzeń,
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.
niczym zmarszczki na jeziorze od wrzuconego do wody kamienia. Ogólna teoria względności Einsteina założyła istnienie tego zjawiska ponad 100 lat temu, ale nie zostało udowodnione aż do 2017 roku, kiedy obserwatoria fal grawitacyjnych LIGO i VIRGO zaobserwowały zderzenie gwiazd neutronowych. Inne teleskopy wykryły impuls fal gamma i rozbłysk światła, a później fale x i sygnały radiowe z tego samego zderzenia. Było to najbardziej gwałtowne wydarzenie w dziejach astronomii. Przyniosło nam całą masę cennych danych, które pozwoliły zbadać prędkość grawitacji, podtrzymały ważne teorie astrofizyczne i dostarczyły dowodów na źródło powstania ciężkich pierwiastków,
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.
takich jak złoto czy platyna. Nie znamy jeszcze wszystkich sekretów gwiazd neutronowych. LIGO i VIRGO są ulepszane, żeby wykrywały więcej takich zderzeń. To pomoże nam dowiedzieć się, co jeszcze te gęste, pulsujące, wirujące magnesy