לתגלית השלכות רחבות על האסטרופיזיקה ועל הפיסיקה הגרעינית
אסטרונומים גילו באמצעות טלסקופ גרין בנק [(GBT) [Green Bank Telescope את כוכב הניטרונים המסיבי ביותר שאי פעם נתגלה, תגלית בעלת השלכות רחבות טווח על מספר תחומים בפיסיקה ובאסטרופיסיקה.
המחקר בוצע על ידי פול דמורסט וסקוט רנסום מהמצפה הלאומי לאסטרונומית רדיו [[National Radio Astronomy Observatory (NRAO), יחד עם טים פנוצ'י מאוניברסיטת ורג'יניה, מלורי רוברטס מיוריקה סייאנטיפיק וג'יסון הסלס מהמכון ההולנדי לאסטרונומית רדיו ואוניברסיטת אמסטרדם. הוא פורסם ב-28 באוקטובר בגיליון המדעי של כתב העת נייצ'ר. המאמר המקדים פורסם כאן.
דמורסט אמר, "כוכב ניטרונים זה הוא פי שתיים מסיבי יותר מהשמש שלנו. זהו גילוי מפתיע, וכמות כזו של מסה פירושה שלילת מספר מודלים תיאורטיים שעתה מתארים את ההרכב הפנימי של כוכבי ניטרונים". הוא הוסיף, "למדידת מסה זו יש גם השלכות על הבנתנו של כל החומר בצפיפויות גבוהות ביותר ופרטים רבים של פיסיקה גרעינית".
כוכבי ניטרונים הם ליבות על גרעיניות של כוכבים מסיביים שהתפוצצו בהליך של סופרנובה. מסתם ארוזה לכדי גודל של כדור בגודל של עיר קטנה, כאשר הפרוטונים והאלקטרונים שלהם מעוכים יחדיו אל תוך הניטרונים. כוכב ניטרונים יכול להיות פי כמה וכמה צפוף יותר מאשר גרעין אטומי, וקורטוב של חומר מכוכב ניטרונים ישקול יותר מאשר 500 מיליוני הטונות. צפיפות עצומה זו הופכת את כוכבי הניטרונים למעבדה טבעית אידיאלית לחקר המצבים האקזוטיים ביותר והמצבים הצפופים ביותר של החומר הידועים בפיסיקה.
המדענים השתמשו באפקט ידוע מתורת היחסות הכללית של אינשטיין, הידוע בשם אפקט העיכוב של שפירו, כדי למדוד את מסת כוכב הניטרונים ואת בן זוגו המסתובב, כוכב ננס לבן.
כוכב הניטרונים הוא פולסר הפולט גלי רדיו בפולסים אל החלל בעודו מסתובב. פולסר זה קרוי בשם: PSR J1614-2230 והוא מסתובב 317 פעמים בשנייה בעוד בן זוגו משלים מסלול בתשע ימים. הזוג הפולסר והננס הלבן ממוקמים במרחק של 3000 שנות אור מאיתנו, הם במסלול שנראה כמעט בניצב לכדור הארץ. כיוון זה היה המפתח לביצוע מדידת המסה באמצעות אפקט העיכוב של שפירו.
בעוד שהמסלול לוקח את הננס הלבן הישר מלפני הפולסר, גלי הרדיו שמגיעים לכדור הארץ מהפולסר צריכים לנוע מאוד קרוב לננס הלבן. מסע קרוב זה גורם להם להתעכב בהגיעם לכדור הארץ עכב עיוות המרחב-זמן שנגרם על ידי הכבידה של הננס הלבן. זה אפקט העיכוב של שפירו, שאפשר למדענים למדוד במדויק את המסה של שני הכוכבים.
האסטרונומים השתמשו במכשיר דיגיטלי חדש שקרוי "מכשיר מעבד פולסר אולטימטיבי גרין בנק" [Green Bank Ultimate Pulsar Processing Instrument (GUPPI)]. מכשיר זה עקב השנה אחרי הכוכבים הבינאריים בעודם מבצעים מסלול אחד שלם. באמצעות ה- GUPPI האסטרונומים יכלו למדוד את הסיגנלים מהפולסר פי כמה מונים טוב יותר ממקודם.
החוקרים ציפו שכוכב הניטרונים יהיה בעל מסה שהיא בערך פי פעם וחצי מזו של השמש. אולם במקום זאת, התצפיות שלהם חשפו שמסתו הייתה פי שתיים מזו של השמש. כמות עצומה זו של מסה כבר לגמרי משנה את ההבנה של הרכב כוכב הניטרונים.
כמה מודלים תיאורטיים קובעים, שבנוסף לניטרונים, כוכבים כאלה יכילו חלקיקים תת-אטומיים אקזוטיים נוספים שקרויים היפרונים או מצבורים של קאונים. רנסום סיפר שהתוצאות החדשות לגבי כוכב הניטרונים שוללות סברות אלה.
התוצאות של המחקר מראות בנוסף, שאם קיימים קוורקים כלשהם בליבת כוכב הניטרונים, הם לא יכולים להיות "חופשיים", אלא במקום זאת, עליהם להיות באינטראקציה חזקה זה עם זה כפי שהם מתנהגים בגרעיני אטומים רגילים, כך אומר פריאל אוזל מאוניברסיטת אריזונה, מחבר מאמר נוסף בנושא, שמתכננים המחברים לפרסם בכתב העת Astrophysical Journal Letters.
למחקר ולתצפיות החדשות שבוצעו בעזרת GBT השלכות נוספות לתחומים נוספים, מעבר לאפיון החומר בצפיפויות קיצוניות. העובדה שכוכבי ניטרונים יכולים להיות מסיביים כמו זה שנתגלה בעל השם PSR J1614-2230 יכולה לשפוך אור על התנגשויות כוכבי ניטרונים, שמצפים שיצרו גלי כבידה; אלה האחרונים הם מטרה למספר תצפיות שפועלות בארה"ב ובאירופה. גלים אלה לפי המדענים יישאו מידע בעל ערך נוסף אודות ההרכב של כוכבי הניטרונים.