Stelele neutronice pot fi mai mari decât se aștepta, așa cum sugerează măsurătorile nucleului de plumb

Spuneți ce doriți despre plumb, are o crustă surprinzător de groasă – de neutroni, adică. De fapt, conform unui nou studiu, stratul de neutroni din exteriorul miezului de plumb este de două ori mai gros decât ceea ce cred fizicienii. Rezultatul aparent misterios ar putea avea ramificații în afara acestei lumi: stelele de neutroni, câmpurile super-dense lăsate în urmă atunci când stelele explodează în explozii de supernova, pot fi mult mai rigide și mai mari decât prevede în general teoria.

„Este o realizare experimentală uimitoare”, spune Anna Watts, astrofizician la Universitatea din Amsterdam care studiază stelele cu neutroni. „Se vorbește de ani de zile și ani și ani și este atât de mișto să-l văd în sfârșit”.

Nucleul unui atom este alcatuit din protoni si neutroni tinuti impreuna de asa-numita forta nucleara puternica. În general, există mai mulți neutroni decât protoni. Dar nu mult, deoarece un dezechilibru mare în numărul de protoni și neutroni crește energia internă a nucleului și îl poate face instabil. Teoria prezice, în general, că un nucleu mare constă dintr-un amestec aproximativ egal de protoni și neutroni înconjurați de o piele de neutroni puri.

Este grosimea pielii pe care fizicienii nucleari au măsurat-o cu un experiment cu rază de plumb (Pb) (PREX) la instalația națională de accelerare a lui Thomas Jefferson. Pentru a face acest lucru, ei purtau electroni abundenți din plumb 208 de nuclee, cel mai comun izotop al elementului, care are 82 de protoni și 126 de neutroni. Electronii încărcați negativ interacționează cu protonii încărcați pozitiv în principal prin forța electromagnetică, care deviază electronii. Prin această împrăștiere electromagnetică, alți fizicieni au măsurat anterior distribuția protonilor în nucleul de plumb 208 și au constatat că acesta se extinde pe o rază de 5,50 Fermi – Fermi, care este unul dintr-o milionime din 1 nanometru.

Pentru a explora neutronii, fizicienii PREX au profitat de faptul că electronii pot interacționa atât cu protoni, cât și cu neutroni prin forța nucleară slabă. Slabă în comparație cu forța electromagnetică, puterea sa depinde de faptul dacă electronul de intrare se rotește spre dreapta – ca o minge de fotbal aruncată de un mijlocaș drept – sau spre stânga. Această predare le-a permis cercetătorilor PREX să descopere efectul forței slabe.

Cercetătorii au tras un fascicul de electroni, aproape toți învârtindu-se în același mod, către nucleele de plumb și au măsurat probabilitatea ca aceștia să fie deviați cu un anumit unghi. Apoi, au răsturnat electronii astfel încât s-au răsucit în direcția opusă și au căutat o diferență de unu la milion în curentul de electroni deviați. Această mică anomalie poate indica efectul forței slabe, iar dimensiunea sa va dezvălui difuzia spațială a neutronilor. Fizicienii au răsturnat rotația electronilor de 240 de ori pe secundă, având mare grijă să se asigure că nu modifică energia, intensitatea sau calea fasciculului.

Asimetria observată indică faptul că nucleul de plumb conține piele de neutroni cu grosimea de 0,28 Fermi, dând sau luând 0,07, relatează cercetătorii PREX astăzi la Scrisori de recenzie fizică. Această măsurare merge bine cu Măsurătoare anterioare raportate de echipa PREX Cu toate acestea, în 2012, noile date reduc incertitudinea la jumătate. Descoperirile mai exacte indică faptul că pielea neutronică a plumbului-208 este de două ori mai groasă decât se așteptau teoreticienii și au indicat alte experimente mai puțin directe. „A forțat pe toată lumea să înceapă să își cerceteze presupunerile și acesta este un vis de experimentat”, spune Krishna Kumar, fizician la Universitatea Massachusetts, Amherst și co-purtător de cuvânt al echipei PREX.

În cele din urmă, unele dintre aceste ipoteze includ natura stelelor de neutroni. Deși nucleul atomic este de câteva ori mai puțin dens decât o stea de neutroni, primul poate fi folosit pentru a face inferențe despre cele mai noi, explică Jorge Piekarewicz, un teoretician nuclear la Florida State University. În special, pielea groasă de neutroni indică faptul că stelele neutronice sunt mai puțin compresibile decât prezic multe teorii, spune el, făcându-le mai mari. De fapt, într-o altă lucrare publicată astăzi la Scrisori de recenzie fizică, Piekarewicz și colegii săi au constatat că rezultatul PREX indică faptul că o rază cuprinsă între 13,25 și 14,25 kilometri pentru o stea neutronică este de 1,4 ori masa Soarelui. Majoritatea teoriilor produc estimări mai apropiate de 10 kilometri.

Dimensiunea jumbo este acceptabilă pentru Cole Miller, un astronom de la Universitatea din Maryland, College Park, care lucrează cu Neutron Star Interstructure Explorer (NICER), un telescop cu raze X de pe Stația Spațială Internațională. Cercetătorii NICER folosesc spectrul de radiații de la o stea de neutroni care se învârte pentru a deduce dimensiunea acesteia și chiar pentru a mapa neregulile de pe suprafața sa. Instrumentul a măsurat radiația de la două stele de neutroni cu o masă de 1,4 și 2,1 ori mai mare decât masa soarelui și a constatat că ambele au o rază de aproximativ 13 kilometri.

Dar Miller subliniază că datele de la detectoarele de unde gravitaționale pot favoriza stelele de neutroni mai mici și mai moi. În 2017, fizicienii l-au observat folosind Laser Interferometer Observatory (LIGO) din Statele Unite și detectorul Fecioară în Italia. Două stele de neutroni care orbitează una pe cealaltă Și fuzionează, cel mai probabil să formeze o gaură neagră. Dacă stelele cu neutroni erau relativ mari și solide, atunci înainte de fuzionare ar fi trebuit să înceapă să se distorsioneze reciproc prin propria lor gravitație, spune Miller. Dar cercetătorii LIGO și Fecioară nu au văzut nicio dovadă a unei astfel de distorsiuni de maree în semnalele lor, spune el.

Cu toate acestea, Witold Nazarewicz, un teoretician nuclear la Universitatea de Stat din Michigan, spune că este prea devreme pentru a fi îngrijorat de implicațiile astrofizice ale rezultatelor PREX. El a menționat că echipa măsoară doar asimetria împrăștierii electronilor, iar teoriile pe care cercetătorii le folosesc pentru a o converti în grosimea pielii neutronilor au propriile lor îndoieli. Nazarevich spune că valoarea asimetriei echipei poate intra în conflict cu măsurătorile altor proprietăți ale nucleului de plumb. „Aș vrea să știu dacă totul respectă plumbul 208”.

Cu toate acestea, rezultatul surprinzător al PREX va stimula probabil fizicienii și astrofizicienii nucleari să reexamineze legăturile teoretice dintre nucleele atomice și stelele cu neutroni, spune Piekarewicz. „Este un șoc psihologic pentru comunitate”.