Gwiazdy neutronowe to niezwykle gęste i zwarte obiekty powstałe w wyniku kolapsów masywnych gwiazd. Choć są one jednymi z najbardziej fascynujących obiektów we Wszechświecie, ich właściwości wciąż kryją wiele tajemnic. Naukowcom udało się jednak w ostatnim czasie dokonać przełomowego odkrycia w tej dziedzinie.

Zespół badaczy pod kierownictwem profesora FAN Yizhonga z Obserwatorium Purple Mountain Chińskiej Akademii Nauk dokonał precyzyjnego określenia górnej granicy masy nierotującej gwiazdy neutronowej. Wyniki ich pracy zostały opublikowane w prestiżowym czasopiśmie "Physical Review D".

Gwiazdy można podzielić na kilka kategorii w zależności od ich masy. Gwiazdy o masie mniejszej niż około 8 mas Słońca kończą swój cykl życia jako białe karły - obiekty podtrzymywane przez ciśnienie degeneracji elektronów, z dobrze znaną graniczną masą, zwaną granicą Chandrasekhara, wynoszącą około 1,44 masy Słońca.

W przypadku gwiazd cięższych, ale lżejszych niż około 25 mas Słońca, proces ewolucji kończy się powstaniem gwiazd neutronowych. Te niezwykle gęste obiekty są utrzymywane głównie przez ciśnienie degeneracji neutronów.

Dla gwiazd jeszcze cięższych, powyżej około 25 mas Słońca, końcowym etapem ewolucji jest kolapsar, czyli zapadnięcie się gwiazdy w czarną dziurę. Granica ta jest znana jako granica Oppenheimera (MTOV) i stanowi kluczowy parametr w badaniach fizyki jądrowej i astrofizyki. Ustalenie dokładnej wartości granicy Oppenheimera okazało się być niezwykle trudnym zadaniem. Wcześniejsze próby opierały się na luźnych szacunkach opartych na pierwszej zasadzie fizyki lub na modelach, które cechowały się dużymi niepewnościami.

Zespół profesora FAN Yizhonga podjął się wyzwania, aby znacząco poprawić precyzję określenia tej granicznej masy. W tym celu wykorzystali oni solidne obserwacje z wielu satelitów oraz wiarygodne dane z zakresu fizyki jądrowej, co pozwoliło im uniknąć niepewności obecnych we wcześniejszych modelach. Kluczowym elementem ich pracy było wykorzystanie najnowszych postępów w pomiarach masy i promienia gwiazd neutronowych, uzyskanych między innymi z obserwacji fal grawitacyjnych przez detektory LIGO/Virgo oraz z danych Neutron Star Interior Composition Explorer (NICER).

Zastosowanie trzech różnych modeli rekonstrukcji równania stanu materii gwiazd neutronowych (EoS) pozwoliło im na ograniczenie potencjalnych błędów systematycznych. W efekcie uzyskali oni niemal identyczne wyniki dla MTOV, czyli maksymalnej masy nierotującej gwiazdy neutronowej, która wynosi około 2,25 masy Słońca, z niepewnością zaledwie 0,07 masy Słońca.

Precyzyjne określenie granicy Oppenheimera niesie ze sobą głębokie konsekwencje zarówno dla fizyki jądrowej, jak i astrofizyki. Wskazuje ono na umiarkowanie sztywne równanie stanu materii gwiazd neutronowych, co z kolei sugeruje, że obiekty o masach w zakresie od około 2,5 do 3,0 mas Słońca, wykryte przez LIGO/Virgo, są najprawdopodobniej najlżejszymi czarnymi dziurami.

Co więcej, pozostałości po fuzji układów podwójnych gwiazd neutronowych, przekraczające całkowitą masę około 2,76 masy Słońca, powinny zapadać się w czarne dziury, podczas gdy lżejsze układy mogłyby prowadzić do powstania (supermasywnych) gwiazd neutronowych. Odkrycie zespołu profesora FAN Yizhonga stanowi zatem istotny krok naprzód w naszym zrozumieniu najbardziej ekstremalnych obiektów we Wszechświecie - gwiazd neutronowych i czarnych dziur. Precyzyjne określenie granicy Oppenheimera otwiera nowe możliwości w badaniach fizyki jądrowej i astrofizyki.