Een internationaal onderzoeksteam onder leiding van leden van het Max Planck Institute for Gravitational Physics (Albert Einstein Institute; AEI) heeft nieuwe metingen gedaan van hoe groot neutronensterren zijn. Om dit te doen, ze combineerden een algemene eerste-principebeschrijving van het onbekende gedrag van neutronenstermaterie met multi-boodschapperwaarnemingen van de binaire neutronensterfusie GW170817. hun resultaten, die verscheen in Natuurastronomie vandaag, zijn een factor twee strenger dan eerdere limieten en laten zien dat een typische neutronenster een straal van bijna 11 kilometer heeft. Ze ontdekken ook dat neutronensterren die samensmelten met zwarte gaten in de meeste gevallen waarschijnlijk heel worden ingeslikt, tenzij het zwarte gat klein is en/of snel roteert. Dit betekent dat hoewel dergelijke fusies waarneembaar kunnen zijn als bronnen van zwaartekrachtgolven, ze zouden onzichtbaar zijn in het elektromagnetische spectrum.

"Binaire neutronensterrenfusies zijn een goudmijn aan informatie!" zegt Collin Capano, onderzoeker aan de AEI Hannover en hoofdauteur van de Natuurastronomie studie. "Neutronensterren bevatten de dichtste materie in het waarneembare heelal. ze zijn zo dicht en compact, dat je de hele ster kunt zien als een enkele atoomkern, opgeschaald naar de grootte van een stad. Door de eigenschappen van deze objecten te meten, we leren over de fundamentele fysica die materie regeert op subatomair niveau."

"We vinden dat de typische neutronenster, die ongeveer 1,4 keer zo zwaar is als onze zon met een straal van ongeveer 11 kilometer, " zegt Badri Krishnan, die het onderzoeksteam van de AEI Hannover leidt. "Onze resultaten beperken de straal waarschijnlijk ergens tussen de 10,4 en 11,9 kilometer. Dit is een factor twee strenger dan eerdere resultaten."

Fusie van binaire neutronensterren als astrofysische schatkamer

Neutronensterren zijn compact, extreem dichte overblijfselen van supernova-explosies. Ze zijn ongeveer zo groot als een stad met tot tweemaal de massa van onze zon. Hoe de neutronenrijke, extreem dichte materie zich gedraagt ​​is onbekend, en het is onmogelijk om dergelijke omstandigheden in een laboratorium op aarde te creëren. Natuurkundigen hebben verschillende modellen voorgesteld (staatsvergelijkingen), maar het is niet bekend welke (indien aanwezig) van deze modellen de materie van neutronensterren in de natuur correct beschrijft.

Fusies van binaire neutronensterren, zoals GW170817, die in augustus 2017 werd waargenomen in zwaartekrachtsgolven en het hele elektromagnetische spectrum - zijn de meest opwindende astrofysische gebeurtenissen als het gaat om het leren van meer over materie onder extreme omstandigheden en de onderliggende kernfysica. Van dit, wetenschappers kunnen op hun beurt de fysieke eigenschappen van neutronensterren bepalen, zoals hun straal en massa.

Het onderzoeksteam gebruikte een model op basis van een eerste-principebeschrijving van hoe subatomaire deeltjes interageren bij de hoge dichtheden die in neutronensterren worden aangetroffen. Opmerkelijk, zoals het team laat zien, theoretische berekeningen op lengteschalen van minder dan een biljoenste millimeter kunnen worden vergeleken met waarnemingen van een astrofysisch object op meer dan honderd miljoen lichtjaar afstand.

"Het is een beetje verbijsterend, " zegt Capano. "GW170817 werd 120 miljoen jaar geleden veroorzaakt door de botsing van twee objecten ter grootte van een stad, toen dinosaurussen hier op aarde rondliepen. Dit gebeurde in een sterrenstelsel op een miljard biljoen kilometer afstand. Van dat, we hebben inzicht gekregen in de subatomaire fysica."

Hoe groot is een neutronenster?

De eerste-principebeschrijving die door de onderzoekers wordt gebruikt, voorspelt een hele familie van mogelijke toestandsvergelijkingen voor neutronensterren, die rechtstreeks zijn afgeleid van de kernfysica. Van deze familie, de auteurs selecteerden die leden die het meest waarschijnlijk verschillende astrofysische waarnemingen verklaren; ze kozen modellen

• die overeenkomen met waarnemingen van zwaartekrachtgolven van GW170817 uit openbare LIGO- en Maagd-gegevens,
• die een kortlevende hyperzware neutronenster produceren als gevolg van de fusie, en
• die overeenkomen met bekende beperkingen op de maximale neutronenstermassa van elektromagnetische tegenhangerobservaties van GW170817.

Dit stelde de onderzoekers niet alleen in staat om robuuste informatie af te leiden over de fysica van dichte materie, maar ook om de strengste limieten voor de grootte van neutronensterren tot nu toe te verkrijgen.

Toekomstige waarnemingen van zwaartekrachtgolven en multi-boodschappers

"Deze resultaten zijn opwindend, niet alleen omdat we de straalmetingen van neutronensterren enorm hebben kunnen verbeteren, maar omdat het ons een kijkje geeft in het uiteindelijke lot van neutronensterren in samenvoegende dubbelsterren, " zegt Stephanie Brown, co-auteur van de publicatie en een Ph.D. student aan de AEI Hannover. De nieuwe resultaten impliceren dat, met een evenement zoals GW170817, de LIGO- en Virgo-detectoren bij ontwerpgevoeligheid zullen gemakkelijk kunnen onderscheiden, van zwaartekrachtsgolven alleen, of twee neutronensterren of twee zwarte gaten zijn samengesmolten. Voor GW170817, waarnemingen in het elektromagnetische spectrum waren cruciaal om dat onderscheid te maken.

Het onderzoeksteam vindt ook dat voor gemengde dubbelsterren (een neutronenster die samensmelt met een zwart gat), Zwaartekracht-golf fusie waarnemingen alleen zullen het moeilijk hebben om dergelijke gebeurtenissen te onderscheiden van binaire zwarte gaten. Waarnemingen in het elektromagnetische spectrum of zwaartekrachtsgolven van na de fusie zullen cruciaal zijn om ze van elkaar te onderscheiden.

Echter, het blijkt dat de nieuwe resultaten ook impliceren dat multi-messenger observaties van gemengde binaire fusies waarschijnlijk niet zullen plaatsvinden. "We hebben aangetoond dat de neutronenster in bijna alle gevallen niet door het zwarte gat wordt verscheurd en eerder in zijn geheel wordt opgeslokt, " legt Capano uit. "Alleen wanneer het zwarte gat erg klein is of snel ronddraait, kan het de neutronenster verstoren voordat het wordt ingeslikt; en alleen dan kunnen we verwachten iets anders te zien dan zwaartekrachtgolven."

Een mooie toekomst voor de boeg

In het volgende decennium zal de bestaande zwaartekrachtgolfdetectoren worden nog gevoeliger, en extra detectoren beginnen te observeren. Het onderzoeksteam verwacht meer zeer luide detecties van zwaartekrachtgolven en mogelijke multi-messenger-waarnemingen van samensmeltende binaire neutronensterren. Elk van deze fusies zou geweldige kansen bieden om meer te leren over neutronensterren en kernfysica.