Agnieszka Majczyna

Gwiazdy neutronowe są najbardziej ekstremalnymi obiektami pośród tych, które posiadają powierzchnię. Badaniem tych egzotycznych obiektów zajmują się polscy astronomowie, którzy tworzą modele widma promieniowania gwiazd neutronowych. Modele te pozwolą zajrzeć do wnętrza gwiazdy i dowiedzieć się z czego są zbudowane.

Gwiazdy neutronowe są jednymi z najbardziej 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 z ziemskich laboratoriów. Jedynym sposobem na jej badanie pozostają obserwacje astronomiczne. Stworzone modele teoretyczne opisują strukturę wnętrza gwiazdy neutronowej przy założonych właściwościach i składzie materii tworzącej gwiazdę. 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 pozwoliłoby na weryfikację założeń teoretycznych, a tym samym poznanie własności materii wnętrza gwiazdy neutronowej.

Polscy astronomowie:  dr Agnieszka Majczyna (NCBJ), prof. Jerzy Madej (Obserwatorium Astronomiczne UW), prof Agata Różańska (CAMK) oraz mgr Mirosław Należyty stworzyli model widma promieniowania gorącej, szybko rotującej gwiazdy neutronowej. Ponieważ gwiazda neutronowa jest obiektem silnie związanym grawitacyjnie, przy częstościach rotacji rzędu 700 Hz nie ulega rozerwaniu, ale spłaszcza się, przybierając kształt elipsoidy obrotowej. Właśnie takie gwiazdy są przedmiotem badań zespołu. Na przykładzie linii żelaza astronomowie analizowali jak prędkość kątowa rotacji i kąt nachylenia gwiazdy w stosunku do linii widzenia wpływają na kształt i głębokość linii widmowych.

Analizy pokazują między innymi, że dla gwiazdy widzianej w płaszczyźnie równikowej wraz ze wzrostem stopnia spłaszczenia gwiazdy (prędkości kątowej rotacji) linie stają się coraz płytsze i szersze,  podczas gdy dla gwiazdy widzianej od bieguna jest odwrotnie, głębokość linii rośnie raz ze wzrostem spłaszczenia gwiazdy. Kształt linii także bardzo silnie zależy od kąta nachylenia gwiazdy rotującej z zadaną prędkością kątową. Wraz ze wzrostem kąta nachylenia gwiazdy linie stają się coraz głębsze i szersze dla obu rozważanych prędkości kątowych rotacji.

Dopasowując modele teoretyczne do widm obserwowanych możemy zatem wyznaczyć nie tylko masę i promień gwiazdy neutronowej, ale także prędkość kątową rotacji i co ważniejsze kąt nachylenia w stosunku do linii widzenia obserwatora. Wszystkie te parametry są niezwykle ważne w poznaniu natury gwiazd neutronowych w szczególności wciąż nie w pełni rozwiązanego zagadnienia budowy wnętrza gwiazdy neutronowej.

"Influence of the gravitational darkening effect on the spectrum of a hot, rapidly rotating neutron star. II. Iron lines.'' Agnieszka Majczyna, Jerzy Madej, Agata Różańska i Mirosław Należyty; The Astrophysical Journal 966, 223 (2024)

Rys. 1 Widma teoretyczne gwiazdy neutronowej nachylonej pod różnymi kątami w stosunku do linii widzenia dla założonej bezwymiarowej prędkości kątowej rotacji $\bar{\Omega}^2=0.60$ .  Założono następujące parametry gwiazdy neutronowej: temperaturę efektywną
T_eff = 2.20 × 10⁷ K, logarytm grawitacji powierzchniowej log(g)=14.40, stosunek masy i promienia x=0.195 oraz skład chemiczny atmosfery.

Rys. 2 Wybrany obszar widma.