Αναλύσεις των βαρυτικών κυμάτων, βοηθούν τους επιστήμονες να ρίξουν φως στην πυκνή πυρηνική ύλη

Αναλύσεις των βαρυτικών κυμάτων από την συγχώνευση των άστρων νετρονίων που παρατηρήθηκαν από τα LIGO και Virgo βελτιώνει τα μοντέλα που περιγράφουν την πυκνή πυρηνική ύλη στο εσωτερικό ενός άστρου νετρονίων.

Το 2017, η επιστημονική συνεργασία LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) μαζί με τη συνεργασία Virgo πραγματοποίησαν την πρώτη παρατήρηση των βαρυτικών κυμάτων που δημιουργήθηκαν από την συγχώνευση δυο άστρων νετρονίων. Η βαρυτική κυματομορφή παρείχε επίσης πληροφορίες για τις ιδιότητες κάθε άστρου, όπως η μάζα του και η «δυνατότητα παλιρροϊκής παραμόρφωσής» του – η δυσκαμψία ενός άστρου σε απόκριση στις τάσεις που προκαλούνται από το βαρυτικό πεδίο του συνοδού του. Δυο ανεξάρτητες μελέτες έχουν τώρα δείξει ότι αυτές οι ιδιότητες παράγωγα του βαρυτικού κύματος μπορεί να χρησιμοποιηθούν για να αντλήσουν πληροφορίες για την κατάσταση της ύλης που συνθέτουν των πυρήνα ενός άστρου νετρονίων.

Οι πυρηνικοί φυσικοί έχουν από μακρού αναζητήσει να παραγάγουν μια «εξίσωση κατάστασης» (equation of state, στο εξής EoS) που περιγράφει την πυκνή πυρηνική ύλη, όπως αυτή που βρίσκεται στο εσωτερικό ενός άστρου νετρονίων. Μια τέτοια EoS, βασιζόμενη σε θεμελιώδεις παραμέτρους πυρηνικής φυσικής, θα μπορούσε να προβλέψει, μεταξύ άλλων πραγμάτων, τη σχέση αστρικής μάζας-ακτίνας και τη μέγιστη δυνατή μάζα του άστρου. Εξαιτίας της πολυπλοκότητας της πυκνής πυρηνικής μάζας και της έλλειψης πειραματικών στοιχείων, είναι δυνατές πολλές EoS και οι προβλέψεις τους για ορισμένες παραμέτρους μπορούν να διαφωνούν μέχρι πάνω από έναν παράγοντα του 10.

Οι μελέτες του Farrukh Fattoyev, στο Πανεπιστήμιο της Indiana στην πόλη Bloomington και των συνεργατών του, καθώς και του Aleksi Kurkela στο CERN και των συνεργατών του χρησιμοποίησαν την παλιρροϊκή παραμόρφωση που προσδιορίστηκε από τα LIGO και Virgo για να περιορίσουν σημαντικά την οικογένεια των μοντέλων EoS που επιτρέπονται. Οι δυο ομάδες παρήγαγαν παρόμοιους περιορισμούς. Έδειξαν, για παράδειγμα, ότι η σωστή EoS πρέπει να προβλέπει μια ακτίνα μικρότερη από περίπου 14 km για ένα άστρο με μάζα 1,4 ηλιακές μάζες. Ο Fattoyev και οι συνεργάτες του επίσης εξετάζουν μια βασική παράμετρο της EoS που ονομάζεται πυρηνική ενέργεια συμμετρίας – την αλλαγή της ενέργειας σύνδεσης ενός πυρήνα καθώς μεταβάλλεται ο λόγος πρωτονίου προς νετρόνιο. Η ομάδα θέτει νέα όρια στην εξάρτηση της πυρηνικής ενέργειας συμμετρίας από την πυκνότητα της πυρηνικής ύλης, η οποία δεν υπολογίστηκε καλά από τα πειράματα.