Neutronensterne könnten laut Bleikernmessung größer sein als erwartet Wissenschaft

Forscher bombardierten Elektronen aus Bleikern im Thomas Jefferson National Accelerator Facility.

DOE Jefferson Lab

Von Adrian Cho

Sagen Sie, was immer Sie über Blei mögen, es hat eine überraschend dicke Haut – Neutronen in der Tat. Laut einer neuen Studie ist die Neutronenschicht an der Außenseite eines Bleikerns doppelt so dick wie die Physiker dachten. Das scheinbar abstruse Ergebnis könnte außergewöhnliche Auswirkungen haben: Neutronensterne, die ultradichten Kugeln, die bei der Explosion von Sternen in Supernova-Explosionen zurückbleiben, könnten steifer und größer sein, als die Theorie allgemein vorhersagt.

“Es ist eine fantastische experimentelle Leistung”, sagt Anna Watts, Astrophysikerin an der Universität Amsterdam, die Neutronensterne untersucht. “Wir haben jahrelang darüber gesprochen, und es ist so cool zu sehen, wie es endlich fertig ist.”

Der Kern eines Atoms besteht aus Protonen und Neutronen, die durch die sogenannte starke Kernkraft zusammengehalten werden. Neutronen sind im Allgemeinen zahlreicher als Protonen. Nicht zu viel, da ein großes Ungleichgewicht in der Anzahl der Protonen und Neutronen die innere Energie eines Kerns erhöht und ihn instabil machen kann. Die Theorie sagt im Allgemeinen voraus, dass ein großer Kern aus einer nahezu gleichen Mischung von Protonen und Neutronen besteht, die von einer Haut aus reinen Neutronen umgeben sind.

Dies ist die Dicke dieser Haut, die Kernphysiker mit dem Lead Beam (Pb) (PREX) -Experiment an der Thomas Jefferson National Accelerator Facility jetzt gemessen haben. Dazu prallten sie reichlich Elektronen von den Kernen von Blei-208 ab, dem häufigsten Isotop des Elements mit 82 Protonen und 126 Neutronen. Negativ geladene Elektronen interagieren mit positiv geladenen Protonen hauptsächlich durch elektromagnetische Kraft, die Elektronen ablenkt. Durch eine solche elektromagnetische Streuung hatten andere Physiker zuvor die Verteilung der Protonen im Blei-208-Kern gemessen und festgestellt, dass sie sich bis zu einem Radius von 5,50 Fermi erstreckten – ein Fermi ist ein Millionstel von 1 Nanometer.

Um Neutronen zu untersuchen, nutzten PREX-Physiker die Tatsache, dass Elektronen dank schwacher Kernkraft mit Protonen und Neutronen interagieren können. Im Vergleich zur elektromagnetischen Kraft schwach, hängt seine Stärke davon ab, ob sich das einfallende Elektron nach rechts dreht – wie ein Fußball, der von einem rechtshändigen Quarterback geworfen wird – oder nach links. Diese Flexibilität ermöglichte es PREX-Forschern, den Einfluss der schwachen Kraft zu erfassen.

Die Forscher schossen einen Elektronenstrahl, der sich fast trotzdem drehte, auf die Bleikern und maßen die Wahrscheinlichkeit, dass sie in einem bestimmten Winkel abgelenkt werden. Dann kehrten sie die Elektronen um, um sich in die entgegengesetzte Richtung zu drehen, und suchten nach einer Differenz von einem Teil in einer Million im Strom der abgelenkten Elektronen. Diese winzige Asymmetrie würde den Effekt der schwachen Kraft signalisieren und ihre Größe würde die räumliche Ausbreitung von Neutronen offenbaren. Die Physiker kehrten den Spin der Elektronen 240 Mal pro Sekunde um und achteten sehr darauf, dass sie die Energie, Intensität oder den Weg des Strahls nicht veränderten.

Die beobachtete Asymmetrie impliziert, dass der Bleikern eine 0,28 Fermi dicke Neutronenhaut hat, die 0,07 ergibt oder nimmt, berichten PREX-Forscher heute in Briefe zur körperlichen Untersuchung. Diese Messung passt gut zu eine frühere Messung, die vom PREX-Team gemeldet wurde im Jahr 2012, aber die neuen Daten halbiert die Unsicherheit. Der genauere Befund legt nahe, dass die Neutronenhaut von Blei-208 etwa doppelt so dick ist, wie von Theoretikern vorhergesagt und andere weniger direkte Experimente gezeigt haben. “Es hat alle gezwungen, ihre Hypothesen zu untersuchen, und es ist ein Traum für Experimentatoren”, sagt Krishna Kumar, Physiker an der Universität von Massachusetts in Amherst und Co-Sprecher des PREX-Teams.

Einige dieser Annahmen betreffen letztendlich die Natur von Neutronensternen. Obwohl ein Atomkern um ein Vielfaches weniger dicht ist als ein Neutronenstern, kann der erstere verwendet werden, um Rückschlüsse auf den letzteren zu ziehen, sagt Jorge Piekarewicz, Nukleartheoretiker an der Florida State University. Insbesondere eine dickere Neutronenhaut impliziert, dass Neutronensterne weniger komprimierbar sind, als viele Theorien vorhersagen, was sie größer machen würde. In einem anderen Artikel, der heute in veröffentlicht wurde Briefe zur körperlichen UntersuchungPiekarewicz und seine Kollegen berechnen, dass das PREX-Ergebnis einen Radius zwischen 13,25 und 14,25 Kilometern für einen gewöhnlichen Neutronenstern impliziert, der 1,4-mal so massereich ist wie die Sonne. Die meisten Theorien geben Schätzungen näher an 10 Kilometer.

Die Riesengröße ist plausibel für Cole Miller, einen Astronomen an der University of Maryland, College Park, der mit dem NICER-Stern (Neutron Interior Composition Explorer) der NASA, einem Röntgenteleskop auf der Internationalen Raumstation, zusammenarbeitet. NICER-Forscher verwenden das Strahlungsspektrum eines sich drehenden Neutronensterns, um auf seine Größe zu schließen und sogar Unregelmäßigkeiten auf seiner Oberfläche abzubilden. Das Instrument maß die Strahlung von zwei Neutronensternen, die 1,4- und 2,1-mal so massereich waren wie die Sonne, und stellte fest, dass beide einen Radius von etwa 13 Kilometern hatten.

Miller merkt jedoch an, dass Daten von Gravitationswellendetektoren kleinere, weichere Neutronensterne bevorzugen könnten. 2017 entdeckten Physiker des Laserinterferometer-Gravitationswellenobservatoriums (LIGO) in den USA und des Virgo-Detektors in Italien zwei Neutronensterne wirbeln umeinander und verschmelzen, vermutlich um ein Schwarzes Loch zu bilden. Wenn Neutronensterne relativ groß und starr wären, hätten sie sich vor der Fusion durch die Schwerkraft verziehen müssen, sagt Miller. Forscher von LIGO und Virgo sahen jedoch keine Hinweise auf eine solche Gezeitenverzerrung in ihrem Signal, sagt er.

Witold Nazarewicz, Nukleartheoretiker an der Michigan State University, sagt jedoch, es sei verfrüht, sich über die astrophysikalischen Auswirkungen des PREX-Ergebnisses Gedanken zu machen. Er stellt fest, dass das Team nur die Asymmetrie der Elektronenstreuung misst und die Theorien, die Forscher verwenden, um sie in Neutronenhautdicke umzuwandeln, ihre eigenen Unsicherheiten haben. Und der Wert, den das Team für Asymmetrie erhält, könnte bereits mit Messungen anderer Eigenschaften des Bleikerns in Konflikt stehen, sagt Nazarewicz. “Ich würde gerne wissen, ob alles mit Blei-208 übereinstimmt.”

Das überraschende Ergebnis von PREX wird wahrscheinlich Kernphysiker und Astrophysiker dazu veranlassen, die theoretischen Verbindungen zwischen Atomkernen und Neutronensternen erneut zu untersuchen, sagt Piekarewicz. “Es ist ein psychologischer Schock für die Gemeinde.”

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