Chandra X-ray Observatory van NASA heeft het eerste directe bewijs ontdekt voor een superfluïdum, een bizarre, wrijvingsvrije toestand van materie, in de kern van een neutronenster.
De afbeelding hierboven, vandaag vrijgegeven, toont röntgenstralen van Chandra (rood, groen en blauw) en optische gegevens van Hubble (goud) van Cassiopeia A, de overblijfselen van een massieve ster die explodeerde in een supernova. Het bewijs voor supervloeistof is gevonden in de dichte kern van de achtergebleven ster, een zogenaamde neutronenster. De illustratie van de kunstenaar in de inzet toont een uitsnijding van het binnenste van de neutronenster, waar de dichtheden toenemen van de oranje korst tot de rode kern en uiteindelijk tot de binnenste rode bal, het gebied waar de supervloeistof bestaat.
Superfluids gemaakt in laboratoria op aarde vertonen opmerkelijke eigenschappen, zoals het vermogen om omhoog te klimmen en luchtdichte containers te ontsnappen. Als ze zijn gemaakt van geladen deeltjes, zijn superfluïden ook supergeleiders en laten ze elektrische stroom stromen zonder weerstand. Dergelijke materialen op aarde hebben wijdverbreide technologische toepassingen, zoals het produceren van de supergeleidende magneten die worden gebruikt voor magnetische resonantiebeeldvorming [MRI].
Twee onafhankelijke onderzoeksteams hebben Chandra-gegevens gebruikt om aan te tonen dat het binnenste van een neutronenster superfluïdum en supergeleidende materie bevat, een conclusie met belangrijke implicaties voor het begrijpen van nucleaire interacties in materie bij de hoogst bekende dichtheden. De teams publiceren hun onderzoek afzonderlijk in de tijdschriften Maandelijkse kennisgevingen van de Royal Astronomical Society Letters en Fysieke beoordelingsbrieven.
Cas A (RA 23h 23m 26.7s | Dec + 58 ° 49 ′ 03.00) ligt op ongeveer 11.000 lichtjaar afstand. Zijn ster explodeerde ongeveer 330 jaar geleden in het tijdsbestek van de aarde. Een reeks Chandra-waarnemingen van de neutronenster laat zien dat het nu compacte object in tien jaar tijd met ongeveer 4 procent is afgekoeld.
"Deze temperatuurdaling, hoewel hij klein klinkt, was echt dramatisch en verrassend om te zien", zegt Dany Page van de National Autonomous University in Mexico, leider van een van de twee teams. 'Dit betekent dat er iets ongewoons gebeurt binnen deze neutronenster.'
Neutronensterren bevatten de dichtst bekende materie die direct waarneembaar is; een theelepel neutronenster-materiaal weegt zes miljard ton. De druk in de kern van de ster is zo hoog dat de meeste geladen deeltjes, elektronen en protonen samensmelten, wat resulteert in een ster die voornamelijk uit neutronen bestaat.
De nieuwe resultaten suggereren sterk dat de resterende protonen in de kern van de ster in een superfluïde toestand verkeren en, omdat ze een lading dragen, ook een supergeleider vormen.
Beide teams laten zien dat de snelle afkoeling in Cas A wordt verklaard door de vorming van een neutronsuperfluïdum in de kern van de neutronenster binnen ongeveer 100 jaar vanaf de aarde. De snelle afkoeling zal naar verwachting enkele decennia aanhouden en dan vertragen.
"Het blijkt dat Cas A een geschenk van het universum is, omdat we precies op het juiste moment een heel jonge neutronenster zouden moeten vangen", zegt Page's co-auteur Madappa Prakash van de Ohio University. 'Soms kan een beetje geluk een lange weg afleggen in de wetenschap.'
Het begin van superfluïditeit in materialen op aarde vindt plaats bij extreem lage temperaturen dichtbij het absolute nulpunt, maar bij neutronensterren kan het voorkomen bij temperaturen dichtbij een miljard graden Celsius. Tot nu toe bestond er een zeer grote onzekerheid in schattingen van deze kritische temperatuur. Dit nieuwe onderzoek beperkt de kritische temperatuur tot tussen een half miljard en iets minder dan een miljard graden.
Cas A stelt onderzoekers in staat om modellen te testen van hoe de sterke kernkracht, die subatomaire deeltjes bindt, zich gedraagt in ultradunne materie. Deze resultaten zijn ook belangrijk voor het begrijpen van een reeks gedragingen in neutronensterren, waaronder "glitches", precessie en pulsatie van neutronensterren, magnetische uitbarstingen en de evolutie van magnetische velden van neutronensterren.
Bronnen: persberichten van de Royal Astronomical Society en Harvard. Zie extra multimedia op de Chandra-pagina van NASA en de twee onderzoeken in MNRAS en Phys. Rev. Letters.
