Nevtronske zvezde sodijo med najbolj ekstremne objekte v vesolju. Njihova gostota presega gostoto atomskih jeder, gravitacijsko polje pa je tako močno, da ga med znanimi nebesnimi telesi presegajo le črne luknje. Čeprav so jih astronomi prvič opazili že v šestdesetih letih prejšnjega stoletja, je velik del njihove notranje zgradbe še vedno neznanka. Nova raziskava fizikov z Univerze Illinois Urbana-Champaign prinaša pomemben teoretični napredek, ki bi lahko znanstvenikom pomagal bolje razumeti, kaj se skriva v njihovem jedru.
Raziskovalna skupina je skupaj s kolegi z Univerze v Kaliforniji v Santa Barbari, Državne univerze Montana in indijskega Inštituta za temeljne raziskave Tata razvila nov način opisovanja plimskega odziva nevtronskih zvezd v binarnih sistemih. Rezultati, objavljeni februarja 2026 v reviji Physical Review Letters, bi lahko odprli novo pot za preučevanje notranje strukture teh zvezd s pomočjo gravitacijskih valov.
Nevtronske zvezde nastanejo po eksplozijah masivnih zvezd, ko se jedro zvezde sesede v izjemno gosto kroglo snovi. Večina snovi v njih je sestavljena iz nevtronov, ki nastanejo, ko se protoni in elektroni pod ogromnim pritiskom združijo. Toda po ocenah fizikov je njihova notranjost še precej bolj zapletena. V njej naj bi bili tudi prosti protoni, elektroni in težji elementi, nekateri modeli pa napovedujejo celo pojav kvantnih stanj, kot sta superfluidnost ali superprevodnost.
Profesor fizike Nicolás Yunes z Univerze Illinois poudarja, da je preučevanje takšne snovi na Zemlji skoraj nemogoče. „Zelo težko je raziskovati snov pri tako velikih gostotah in relativno nizkih temperaturah. Toda vesolje nam ponuja naravni laboratorij – nevtronske zvezde,“ je pojasnil.
Prav zato astronomi iščejo nove načine, kako iz opazovanj razbrati njihovo notranjo zgradbo. Eden od najobetavnejših pristopov temelji na gravitacijskih valovih, valovanju prostor-časa, ki nastane ob združitvah masivnih objektov.
Ko se nevtronske zvezde spiralno približujejo
V nekaterih primerih nevtronske zvezde obstajajo v parih. Takšni sistemi počasi izgubljajo energijo v obliki gravitacijskih valov, zaradi česar se zvezdi spiralno približujeta druga drugi. Med tem procesom ena zvezda s svojo gravitacijo deformira drugo in obratno, podobno kot Luna povzroča plimovanje na Zemlji.
Te deformacije sprožijo nihanja v notranjosti zvezd. Ta nihanja – fiziki jih imenujejo „modi“ – pustijo značilen podpis v gravitacijskih valovih, ki jih zaznajo detektorji na Zemlji.
„Ko se zvezdi približujeta, plimske sile ene zvezde začnejo deformirati drugo. Količina deformacije je neposredno povezana s tem, iz česa je zvezda sestavljena,“ je pojasnil raziskovalec Abhishek Hegade.
Če bi znanstveniki lahko natančno razumeli te signale, bi lahko iz njih sklepali, kakšna snov obstaja v notranjosti nevtronskih zvezd.
Rešitev zapletenega relativističnega problema
Toda opis teh procesov je izjemno zahteven. Nevtronske zvezde so tako goste, da njihova gravitacija močno ukrivlja prostor-čas, kar pomeni, da je treba problem obravnavati v okviru Einsteinove splošne teorije relativnosti.
Raziskovalci so zato razvili matematični pristop, ki sistem razdeli na območje močne gravitacije blizu zvezde in območje šibkejše gravitacije dlje stran. Z združevanjem rešitev iz obeh območij so lahko prvič pokazali, da je plimski odziv nevtronske zvezde mogoče opisati s popolnim naborom nihajnih načinov – podobno kot pri enostavnejših modelih v Newtonovi gravitaciji.
Ta rezultat pomeni pomemben korak k temu, da bi lahko gravitacijske valove uporabili kot orodje za „poslušanje“ notranjosti nevtronskih zvezd.
Pogled v jedro zvezd – in v zgodnje vesolje
Razumevanje teh signalov bi lahko razkrilo tudi fiziko snovi v ekstremnih razmerah, ki je na Zemlji ni mogoče ustvariti. Nekateri teoretiki domnevajo, da bi lahko v jedrih nevtronskih zvezd obstajala kvark-gluonska plazma – stanje snovi, ki je vladalo tudi v prvih trenutkih po velikem poku.
Če bodo prihodnji detektorji gravitacijskih valov dovolj občutljivi, bi lahko znanstveniki iz teh signalov sklepali, ali v notranjosti nevtrtronskih zvezd obstajajo kvarkova jedra ali druge doslej neznane faze snovi.
Trenutni podatki detektorjev, kot je LIGO, za takšne analize še niso dovolj natančni. Raziskovalci zato veliko pričakujejo od prihodnjih generacij detektorjev gravitacijskih valov, ki naj bi v naslednjih letih omogočili bistveno bolj podrobna opazovanja združitev nevtronskih zvezd.
Do takrat bodo fiziki še naprej izboljševali modele in pripravljali teoretična orodja, ki bodo pomagala razvozlati signale iz najbolj ekstremnih okolij v vesolju.
