Astrofysici van de Goethe-universiteit Frankfurt hebben een nieuwe limiet vastgesteld voor de maximale massa van neutronensterren:ze mogen niet groter zijn dan 2,16 zonsmassa's.

Sinds hun ontdekking in de jaren zestig, wetenschappers hebben geprobeerd een belangrijke vraag te beantwoorden:hoe massief kunnen neutronensterren eigenlijk worden? In tegenstelling tot zwarte gaten, deze sterren kunnen niet willekeurig aan massa winnen; voorbij een bepaalde limiet is er geen fysieke kracht in de natuur die hun enorme zwaartekracht kan tegengaan. Voor de eerste keer, astrofysici van de Goethe Universiteit Frankfurt zijn erin geslaagd een strikte bovengrens te berekenen voor de maximale massa van neutronensterren.

Met een straal van ongeveer 12 kilometer en een massa die twee keer zo groot kan zijn als die van de zon, neutronensterren behoren tot de dichtste objecten in het heelal, gravitatievelden produceren die vergelijkbaar zijn met die van zwarte gaten. Terwijl de meeste neutronensterren een massa hebben van ongeveer 1,4 keer die van de zon, enorme voorbeelden zijn ook bekend, zoals de pulsar PSR J0348+0432 met 2,01 zonsmassa's.

De dichtheid van deze sterren is enorm, alsof de hele Himalaya is samengeperst tot een bierpul. Echter, er zijn aanwijzingen dat een neutronenster met een maximale massa zou instorten tot een zwart gat als er ook maar één neutron zou worden toegevoegd.

Samen met zijn leerlingen Elias Most en Lukas Weih, Professor Luciano Rezzolla, natuurkundige, senior fellow bij het Frankfurt Institute for Advanced Studies (FIAS) en hoogleraar theoretische astrofysica aan de Goethe-universiteit Frankfurt, heeft nu het probleem opgelost dat 40 jaar lang onbeantwoord was gebleven:met een nauwkeurigheid van enkele procenten, de maximale massa van niet-roterende neutronensterren mag niet groter zijn dan 2,16 zonsmassa's.

De basis voor dit resultaat was de 'universele relaties'-benadering die enkele jaren geleden in Frankfurt werd ontwikkeld [www.goethe-university-frankfurt.de/60913695/15]. Het bestaan ​​van "universele relaties" houdt in dat praktisch alle neutronensterren "op elkaar lijken, " wat betekent dat hun eigenschappen kunnen worden uitgedrukt in termen van dimensieloze grootheden. De onderzoekers combineerden deze "universele relaties" met gegevens over zwaartekrachtsgolfsignalen en de daaropvolgende elektromagnetische straling (kilonova) verkregen tijdens de observatie vorig jaar van twee samensmeltende neutronensterren in de kader van het LIGO-experiment. Dit vereenvoudigt berekeningen enorm omdat ze onafhankelijk zijn van de toestandsvergelijking. Deze vergelijking is een theoretisch model voor het beschrijven van dichte materie in een ster die informatie geeft over de samenstelling ervan op verschillende diepten in de ster. Zo'n universele relatie speelde daarom een ​​essentiële rol bij het bepalen van de nieuwe maximale massa.

Het resultaat is een mooi voorbeeld van de wisselwerking tussen theoretisch en experimenteel onderzoek. "Het mooie van theoretisch onderzoek is dat het voorspellingen kan doen. Theorie, echter, heeft dringend experimenten nodig om enkele van zijn onzekerheden weg te werken, ", zegt professor Rezzolla. "Het is daarom vrij opmerkelijk dat de waarneming van een enkele fusie van tweevoudige neutronensterren die miljoenen lichtjaren verwijderd is, gecombineerd met de universele relaties die door ons theoretische werk zijn ontdekt, ons in staat hebben gesteld een raadsel op te lossen waar zoveel speculatie over is geweest vroeger."

De onderzoeksresultaten zijn gepubliceerd als Letter of the Astrofysisch tijdschrift . Slechts een paar dagen later, onderzoeksgroepen uit de VS en Japan bevestigden de bevindingen, ondanks dat ze tot dusver verschillende en onafhankelijke benaderingen hebben gevolgd.

De verwachting is dat astronomie met zwaartekrachtgolven in de nabije toekomst meer van dergelijke gebeurtenissen zal waarnemen, zowel in termen van gravitatiegolfsignalen als in de meer traditionele frequentiebereiken. Dit zal de onzekerheid over de maximale massa verder verminderen en leiden tot een beter begrip van materie onder extreme omstandigheden. Dit zal worden gesimuleerd in moderne deeltjesversnellers, bijvoorbeeld bij CERN in Zwitserland of de FAIR-faciliteit in Duitsland.