Mystisk supervätska funnen i neutronstjärna

Supervätskor skapade i laboratorier på jorden uppvisar enastående egenskaper, såsom förmågan att klättra uppåt och att smita ut från lufttäta containrar. Fyndet har intressanta implikationer i vår förståelse av den nukleära interaktionen i materia på de högst kända densiteterna.

“Den snabba nedkylningen i Cas A:s [Cassiopeia A] neutronstjärna, sedd med Chandra, är det första direkta beviset för att kärnorna i dessa neutronstjärnor de facto består av supervätska och supraledande material”, säger Peter Shternin vid Ioffeinstitutet i St Petersburg, Ryssland, huvudförfattare till en artikel publicerad i den ansedda naturvetenskapliga journalen Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Neutronstjärnor innehåller den tätaste, direkt observerbara, materia som vi idag känner till. En tesked med neutronstjärnematerial väger cirka sex miljarder jordton. Trycket i en stjärnas kärna är så högt att det mesta av de laddade partiklarna, elektronerna och protonerna, smälter samman. Resultatet är en stjärna som huvudsakligen består av de oladdade partiklar som vi kallar neutroner.

Två oberoende forskningsteam studerade supernovakvarlevan Cassiopeia A. Cas A är resterna av en massiv stjärna 11 000 ljusår bort, vilken från jorden sett tycks ha exploderat för 330 år sedan.

Data uppsamlat av Chandra visar på en hastig temperaturminskning i den ultratäta neutronstjärna som blev kvar efter supernovan. Stjärnan tycks ha svalnat ungefär 4% över en 10-årsperiod. “Denna temperaturminskning var, trots att den låter liten, faktiskt dramatisk och överraskande att se” säger Dany Page vid the National Autonomous University in Mexico som är ledare för ett team med en artikel publicerad i Physical Review Letters. “Detta betyder att någonting ovanligt händer inuti denna neutronstjärna”.

Supervätskor innehållande laddade partiklar är också supraledare, vilket betyder att de agerar som perfekta elektriska ledare och aldrig förlorar energi. De nya resultaten pekar starkt på att de kvarvarande protonerna i stjärnans kärna befinner sig i ett superflytande tillstånd och att de, därför att de bär en laddning, även utgör en supraledare.

Både Pages och Shternins team visar att denna snabba nedkylning förklaras av bildandet av en neutronsupervätska i kärnan av neutronstjärnan inom åtminstone hundra år, sett från jorden. Den snabba nedkylningen förväntas fortsätta i ågra årtionden och sedan sakta ned.
”Det visar sig att Cas A kan vara en gåva från universum därför att vi måste få tag på en mycket ung neutronstjärna vid just rätt tidpunkt” säger Pages medförfattare Madappa Prakash från Ohio University. ”Ibland kan man med lite god tur komma långt inom vetenskapen”.

Uppkomsten av superflytande tillstånd i material uppstår på jorden vid extremt låga temperaturer nära den absoluta nollpunkten. Men i neutronstjärnor kan det uppstå vid nära en miljard celsiusgrader. Fram till nu fanns det en mycket stor osäkerhet vid uppskattningen av denna kritiska temperatur.

Denna nya forskning begränsar den kritiska temperaturen till mellan en och en halv miljard och en miljard grader. Cas A kommer att ge forskarna möjlighet att testa modeller om hur starkt den nukleära kraften (vilken binder samman subatomära partiklar) agerar i ultratäta material. De är även viktiga för förståelsen av en mängd beteenden i neutronstjärnor, såsom buggar (glitches), stjärnornas precession (pendlingen i rotationsaxeln, såsom hos en vinglande snurra) och pulsering, magnetiska utbrott samt utvecklingen av en neutronstjärnas magnetiska fält.

Små, plötsliga, förändringar i rotationshastigheten hos neutronstjärnor (så kallade ”glitches”) har tidigare varit ett bevis för superflytande neutroner i stjärnornas skorpa, där densiteten är mycket lägre än i dess kärna.

Dessa senaste nyheter från Cas A avslöjar ny information om de ultratäta inre regionerna av en neutronstjärna. ”Tidigare hade vi ingen aning om omfattningen av de supraledande egenskaperna hos protoner i en neutronstjärna” säger Shternins medförfattare Dmitri Yakovlev, även han från Ioffeinstitutet.

Nedkylningen i Cas A-neutronstjärnan upptäcktes ursprungligen av medförfattaren Craig Heinke, från the University of Alberta i Kanada, och Wynn Ho från the University of Southampton i Storbritannien, 2010. Det är första gången någonsin som astronomer har mätt hastigheten på nedkylningen av en ung neutronstjärna.

Av Martin Ekdahl 18 mar 2011 11:10