Hoe groot is een neutronenster? Eerdere schattingen varieerden van acht tot zestien kilometer. Astrofysici van de Goethe-universiteit Frankfurt en het FIAS zijn er nu in geslaagd om de grootte van neutronensterren tot op 1,5 kilometer te bepalen met behulp van een uitgebreide statistische benadering die wordt ondersteund door gegevens van de meting van zwaartekrachtsgolven. Het rapport van de onderzoekers verschijnt in het huidige nummer van Fysieke beoordelingsbrieven .

Neutronensterren zijn de dichtste objecten in het heelal, met een massa groter dan die van onze zon, samengeperst tot een relatief kleine bol waarvan de diameter vergelijkbaar is met die van de stad Frankfurt. Dit is eigenlijk maar een ruwe schatting, echter. Al meer dan 40 jaar, de bepaling van de grootte van neutronensterren is een heilige graal in de kernfysica, waarvan de oplossing belangrijke informatie zou opleveren over het fundamentele gedrag van materie bij nucleaire dichtheden.

De gegevens van de detectie van zwaartekrachtsgolven van samensmeltende neutronensterren (GW170817) leveren een belangrijke bijdrage aan het oplossen van deze puzzel. Eind 2017, Professor Luciano Rezzolla, Instituut voor Theoretische Fysica aan de Goethe Universiteit Frankfurt en FIAS, samen met zijn studenten Elias Most en Lukas Weih gebruikten deze gegevens al om een ​​al lang bestaande vraag te beantwoorden over de maximale massa die neutronensterren kunnen dragen voordat ze instorten tot een zwart gat - een resultaat dat ook werd bevestigd door verschillende andere groepen over de hele wereld. Na dit eerste belangrijke resultaat, dezelfde ploeg, met de hulp van professor Juergen Schaffner-Bielich, heeft gewerkt om strengere beperkingen op te leggen aan de grootte van neutronensterren.

De kern van de zaak is dat de toestandsvergelijking die de materie in neutronensterren beschrijft, niet bekend is. De natuurkundigen besloten daarom een ​​andere weg in te slaan:ze kozen voor statistische methoden om de grootte van neutronensterren binnen nauwe grenzen te bepalen. Om de nieuwe limieten vast te stellen, ze berekenden meer dan twee miljard theoretische modellen van neutronensterren door de Einstein-vergelijkingen op te lossen die het evenwicht van deze relativistische sterren beschrijven en combineerden deze grote dataset met de beperkingen afkomstig van de GW170817 zwaartekrachtsgolfdetectie.

"Een dergelijke benadering is niet ongebruikelijk in de theoretische natuurkunde, " zegt Rezzolla, toevoegen:"Door de resultaten voor alle mogelijke waarden van de parameters te onderzoeken, kunnen we onze onzekerheden effectief verminderen." de onderzoekers konden de straal van een typische neutronenster binnen een bereik van slechts 1,5 km bepalen:hij ligt tussen de 12 en 13,5 kilometer, een resultaat dat verder kan worden verfijnd door toekomstige zwaartekrachtsgolfdetecties.

"Echter, er is een draai aan dit alles, aangezien neutronensterren tweelingoplossingen kunnen hebben, ", zegt Schaffner-Bielich. Het is in feite mogelijk dat bij ultrahoge dichtheden, materie verandert drastisch van eigenschappen en ondergaat een zogenaamde "faseovergang". Dit is vergelijkbaar met wat er met water gebeurt als het bevriest en overgaat van een vloeibare naar een vaste toestand. In het geval van neutronensterren, deze overgang wordt gespeculeerd om gewone materie om te zetten in "quark materie, " het produceren van sterren die exact dezelfde massa zullen hebben als hun neutronenster "tweeling, " maar dat zal veel kleiner en dus compacter zijn.

Hoewel er geen definitief bewijs is voor hun bestaan, het zijn plausibele oplossingen en de onderzoekers uit Frankfurt hebben met deze mogelijkheid rekening gehouden, ondanks de extra complicaties die tweelingsterren met zich meebrengen. Deze inspanning heeft uiteindelijk zijn vruchten afgeworpen, aangezien hun berekeningen een onverwacht resultaat hebben opgeleverd:tweelingsterren zijn statistisch gezien zeldzaam en kunnen niet erg vervormd worden tijdens de fusie van twee van dergelijke sterren. Dit is een belangrijke bevinding omdat het wetenschappers nu in staat stelt om het bestaan ​​van deze zeer compacte objecten mogelijk uit te sluiten. Toekomstige waarnemingen van zwaartekrachtgolven zullen daarom uitwijzen of neutronensterren al dan niet exotische tweelingen hebben.