En neutronstjärna är en mycket kompakt rest efter en massiv stjärnas kollaps. En neutronstjärna består nästan helt av neutroner och är bland de minsta och tyngsta stjärnobjekten vi känner till. Den bildas när en massiv stjärna exploderar som en supernova och dess kärna pressas ihop till extremt hög densitet.

Storlek, massa och densitet

Neutronstjärnor har en radie på ungefär 11–11,5 kilometer men innehåller ofta en massa som är flera gånger solens massa komprimerad till denna lilla volym. Typiska massor ligger ofta kring 1,4–2 gånger solens massa; om massan blir för stor kan objektet i stället kollapsa till ett svart hål.

Materialet i en neutronstjärna har en täthet som kan jämföras med en atomkärna. Ett sätt att illustrera detta är att föreställa sig att man trycker ihop hela vår sol (som har en diameter på cirka 1 392 000 kilometer) till en boll med diameter omkring 19 kilometer, eller att en tesked materia från en neutronstjärna skulle väga ofattbara cirka 6 miljarder ton.

Gravitation, magnetfält och temperatur

  • Gravitationsfältet vid ytan på en neutronstjärna är enormt — av storleksordningen 2×1011 gånger starkare än på jorden. Det betyder att vätgas, stenar eller andra partiklar som hamnar nära ytan accelereras kraftigt mot den.
  • Neutronstjärnor har mycket kraftiga magnetfält, ofta mellan 108 och 1015 gånger kraftigare än jordens magnetfält. De starkaste exemplen kallas magnetstjärnor.
  • Nybildade neutronstjärnor är mycket varma. Observerbara yttemperaturer ligger ofta runt eller över 600000 K — se temperatur på — men de svalnar med tiden genom utsläpp av neutriner och strålning.

Rotation och typer

Neutronstjärnor kan snurra mycket snabbt. Rotationstider varierar från ungefär millisekunder (några tusendelar av en sekund) upp till tiotals sekunder. De som sänder ut regelbundna pulser av strålning kallas pulsarer. Pulserna orsakas av strålar av elektromagnetisk strålning som sveper förbi oss när stjärnan roterar. I dubbelstjärnesystem där en neutronstjärna fångar materia från en följeslagare kan man observera särskilda fenomen och återupspinnade, mycket snabba pulsarer — så kallade binära pulsarer.

Bildning och evolution

Neutronstjärnor uppstår när en massiv stjärnas kärna kollapsar efter att bränslet tagit slut. Under kollapsen frigörs enorma mängder energi och neutriner; en del av energiutsläppet driver supernovautbrottet. Den nya neutronstjärnan svalnar och förändras över tid: magnetfält och rotationshastighet kan gradvis avta, och i dubbelstjärnesystem kan material från en följeslagare ändra dess egenskaper.

Astrofysisk betydelse och observationer

  • Neutronstjärnors sammansmältningar ger upphov till både gravitationsvågor och rik produktion av tunga grundämnen (r-process). Ett välkänt exempel är detektorn GW170817 som kopplade ihop en neutronstjärne-sammansmältning med en så kallad kilonova.
  • Studier av pulsarer och binära system ger möjlighet att testa allmän relativitet och mäta neutronstjärnors massor noggrant.
  • Observationer i radio-, röntgen- och gammastrålning används för att upptäcka och studera neutronstjärnor. Olika typer — vanliga pulsarer, magnetstjärnor och ackretionsdrivna neutronstjärnor i röntgenbinärer — visar upp olika fenomen.

Öppna frågor

Trots god kunskap finns viktiga obesvarade frågor: vilken exakt ekvation av tillstånd (hur materia beter sig vid extrem densitet) gäller i neutronstjärnekärnan, och var går gränsen i massa mellan neutronstjärna och svart hål? Observationer av tunga neutronstjärnor och sammansmältningar hjälper forskare att begränsa dessa teorier.

Sammanfattningsvis är neutronstjärnor fascinerande laboratorier för fysik under extremt tryck, magnetfält och gravitation — föremål som kopplar samman kärnfysik, astrofysik och relativitetsteori.