Onderzoekers van zwaartekrachtgolven van de Universiteit van Birmingham hebben een nieuw model ontwikkeld dat nieuwe inzichten belooft in de structuur en samenstelling van neutronensterren.

Het model laat zien dat trillingen, of oscillaties, in de sterren kan direct worden gemeten aan de hand van alleen het zwaartekrachtgolfsignaal. Dit komt doordat neutronensterren vervormen onder invloed van getijdenkrachten, waardoor ze oscilleren op karakteristieke frequenties, en deze coderen unieke informatie over de ster in het zwaartekrachtgolfsignaal.

Dit maakt asteroseismologie - de studie van stellaire oscillaties - met zwaartekrachtsgolven van botsende neutronensterren tot een veelbelovend nieuw hulpmiddel om de ongrijpbare aard van extreem dichte nucleaire materie te onderzoeken.

Neutronensterren zijn de ultradichte overblijfselen van ingestorte massieve sterren. Ze zijn bij duizenden waargenomen in het elektromagnetische spectrum en toch is er weinig bekend over hun aard. Unieke informatie kan worden verzameld door de zwaartekrachtsgolven te meten die worden uitgezonden wanneer twee neutronensterren elkaar ontmoeten en een dubbelstersysteem vormen. Voor het eerst voorspeld door Albert Einstein, deze rimpelingen in de ruimtetijd werden voor het eerst gedetecteerd door de Advanced Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory (LIGO) in 2015.

Door het zwaartekrachtsgolfsignaal te gebruiken om de trillingen van de neutronensterren te meten, onderzoekers zullen nieuwe inzichten kunnen ontdekken in het interieur van deze sterren. De studie is gepubliceerd in Natuurcommunicatie .

Dr. Geraint Pratten, van het Gravitational Wave Institute van de Universiteit van Birmingham, is hoofdauteur van de studie. Hij legde uit:"Terwijl de twee sterren om elkaar heen draaien, hun vormen worden vervormd door de zwaartekracht die door hun metgezel wordt uitgeoefend. Dit wordt meer en meer uitgesproken en laat een unieke afdruk achter in het zwaartekrachtgolfsignaal.

"De getijdenkrachten die op de neutronensterren inwerken, wekken oscillaties in de ster op, wat ons inzicht geeft in hun interne structuur. Door deze oscillaties te meten aan de hand van het zwaartekrachtgolfsignaal, we kunnen informatie over de fundamentele aard en samenstelling van deze mysterieuze objecten extraheren die anders ontoegankelijk zou zijn."

Met het door het team ontwikkelde model kan voor het eerst de frequentie van deze oscillaties rechtstreeks worden bepaald uit zwaartekrachtsgolfmetingen. De onderzoekers gebruikten hun model op het eerste waargenomen zwaartekrachtgolfsignaal van een fusie van binaire neutronensterren - GW170817.

Mede-hoofdauteur, Dr. Patricia Schmidt, toegevoegd:"Bijna drie jaar nadat de eerste zwaartekrachtgolven van een binaire neutronenster werden waargenomen, we vinden nog steeds nieuwe manieren om meer informatie over hen uit de signalen te halen. Hoe meer informatie we kunnen verzamelen door steeds geavanceerdere theoretische modellen te ontwikkelen, hoe dichter we bij het onthullen van de ware aard van neutronensterren zullen komen."

Observatoria voor zwaartekrachtgolven van de volgende generatie gepland voor de jaren 2030, zal in staat zijn om veel meer binaire neutronensterren te detecteren en ze veel gedetailleerder te observeren dan momenteel mogelijk is. Het model van het Birmingham-team zal een belangrijke bijdrage leveren aan deze wetenschap.

"De informatie van deze eerste gebeurtenis was beperkt omdat er nogal wat achtergrondgeluid was waardoor het signaal moeilijk te isoleren was, " zegt Dr. Pratten. "Met meer geavanceerde instrumenten kunnen we de frequenties van deze oscillaties veel nauwkeuriger meten en dit zou een aantal echt interessante inzichten moeten opleveren."