Wpływ efektu pociemnienia grawitacyjnego na widmo rotujących obiektów

Egzotyczne, szybko rotujące obiekty, są w kręgu zainteresowań astrofizyków. Polscy astronomowie próbują uzyskać informacje o warunkach fizycznych panujących we wnętrzu szybko rotujących gwiazd neutronowych. W pracy opublikowanej w The Astronomical Journal wzbogacili analizy o efekty wynikające ze zjawiska pociemnienia grawitacyjnego.

Gwiazdy neutronowe są jednymi z ekstremalnych obiektów we Wszechświecie. Gęstość materii w ich wnętrzach dwukrotnie przekracza gęstość jądra atomowego. W takich warunkach, w jądrze gwiazdy, mogą pojawiać się tak egzotyczne stany, jak kondensaty pionów, kaonów, a nawet swobodne kwarki. Centrum gwiazdy może być w stanie nadciekłym lub nadprzewodzącym. Materii w takich warunkach, jakie występują we wnętrzach gwiazd neutronowych, nie jesteśmy w stanie otrzymać w żadnym ziemskim laboratorium. Jedynym sposobem na jej badanie pozostają obserwacje astronomiczne. Stworzone modele teoretyczne opisują strukturę wnętrza gwiazdy neutronowej przy założonych właściwościach i składzie materii ją tworzącej. Użyteczną dla astronomii obserwacyjnej formą przedstawienia tych modeli jest zależność promienia gwiazdy neutronowej od jej masy. Zatem wyznaczenie mas i promieni dla kilku, kilkunastu gwiazd i skonfrontowanie ich z przewidywaniami modeli, pozwoliłoby na weryfikację założeń teoretycznych na temat własności materii wnętrza gwiazdy neutronowej.

Polski zespół astronomów i astrofizyków, w skład którego wchodzą dr Agnieszka Majczyna (NCBJ), prof. Jerzy Madej (Obserwatorium Astronomiczne UW), prof. Agata Różańska (Centrum Astronomiczne im. M. Kopernika, PAN) oraz mgr Mirosław Należyty, realizuje projekt mający na celu wyznaczenie mas i promieni gwiazd neutronowych. Zaproponowana przez nich metoda polega na modelowaniu widm promieniowania gwiazd neutronowych i dopasowania ich do widm gwiazd neutronowych obserwowanych w zakresie rentgenowskim. Stworzony przez nich model – ATM24 uwzględnia wiele istotnych efektów, jak na przykład rozpraszanie fotonów na gorących elektronach (rozpraszanie Comptona). Niedawno autorzy wzbogacili model o kolejny ważny efekt – pociemnienie grawitacyjne.

Pociemnienie grawitacyjne występuje w gwiazdach odkształconych zarówno wskutek sił pływowych (w układzie podwójnym gwiazd) jak i rotacji. Gwiazdy neutronowe, choć silnie związane grawitacyjnie, ze względu na szybką rotację, dochodzącą nawet do tysiąca obrotów na sekundę, ulegają odkształceniu. Rotująca gwiazda przypomina elipsoidę obrotową – nieznacznie spłaszczoną na biegunach kulę. Taki kształt gwiazdy powoduje różnicę w wartości przyspieszenia grawitacyjnego, a tym samym temperatury w poszczególnych obszarach na jej powierzchni. Taka gwiazda wygląda na gorętszą, gdy obserwuje się ją od strony bieguna, gdzie grawitacja jest większa, niż gdyby patrzeć na nią w płaszczyźnie równika. W tej klasie obiektów szybko rotujące gwiazdy neutronowe są więc dobrymi kandydatami do badań efektu pociemnienia grawitacyjnego. Efekt pociemnienia grawitacyjnego jest znany od 1924, jednak w teoretycznych modelach atmosfer gwiazdowych, opisujących rozkład widmowy promieniowania, nie był uwzględniany. Powszechnie dotąd przyjmowane założenie jednorodnej grawitacji i temperatury na powierzchni odkształconej gwiazdy jest jedynie przybliżeniem, które autorzy porzucili w ramach swojej pracy.

„Zbadaliśmy wpływ efektu pociemnienia grawitacyjnego na obserwowane widmo szybko rotującej, spłaszczonej gwiazdy neutronowej” – mówi dr Agnieszka Majczyna z Zakładu Astrofizyki NCBJ. „W naszym modelu widma promieniowania uwzględniamy przyczynki pochodzące od obszarów o różnych wartościach temperatury i przyspieszenia grawitacyjnego na powierzchni gwiazdy neutronowej, widzianej przez odległego obserwatora. Obliczona przez nas siatka modeli jest pierwszą taką w skali światowej. Nasze badania jasno pokazują, że efekt pociemnienia grawitacyjnego silnie wpływa na kształt widma i powinien być uwzględniany w realistycznych modelach atmosfer rotujących gwiazd neutronowych”. Naukowcy nadal pracują nad udoskonalaniem modeli widm promieniowania rotujących gwiazd neutronowych. „Kolejnym etapem naszego projektu będzie ulepszenie zaproponowanej przez nas metody wyznaczania masy i promienia gwiazdy neutronowej oraz stworzenie rozległej siatki teoretycznych modeli widm promieniowania. Ulepszona metoda dopasowania policzonej siatki modeli, zastosowana do obecnych lub przyszłych widm, obserwowanych pozwoli na nałożenie ograniczeń na własności supergęstej materii, która występuje we wnętrzu gwiazdy neutronowej” – dodaje dr Majczyna.

Oryginalna praca: https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ac426c/pdf

Rysunek przedstawia uzyskane na podstawie modelu widma teoretyczne szybko rotujących, spłaszczonych gwiazd neutronowych (linia ciągła) i gwiazd nie rotujących, sferycznych (linie przerywane) dla różnych, założonych temperatur efektywnych Teff=(1.00, 1.6, 2.20) ×107 K. Na wykresie widać znaczące różnice pomiędzy widmem rotujących gwiazd neutronowych,a widmem gwiazd sferycznych.