De mogelijkheid om de zwaartekrachtsgolven van twee samensmeltende neutronensterren te meten, zou antwoorden kunnen bieden op enkele van de fundamentele vragen over de structuur van materie. Bij de extreem hoge temperaturen en dichtheden in de fusie, wetenschappers hebben een faseovergang vermoed waarin neutronen oplossen in hun samenstellende quarks en gluonen. In het huidige nummer van Fysieke beoordelingsbrieven , twee internationale onderzoeksgroepen rapporteren over hun berekeningen van hoe de signatuur van zo'n faseovergang in een zwaartekrachtgolf eruit zou zien.

Quarks, de kleinste bouwstenen van materie, verschijnen nooit alleen in de natuur. Ze zijn altijd stevig gebonden in protonen en neutronen. Echter, neutronensterren die evenveel wegen als de zon, maar omdat het net zo groot is als een stad als Frankfurt, een kern bezitten die zo dicht is dat een overgang van neutronenmaterie naar quarkmaterie kan plaatsvinden. Natuurkundigen noemen dit proces een faseovergang, vergelijkbaar met de vloeistof-dampovergang in water. Vooral, zo'n faseovergang is, in principe, mogelijk wanneer samensmeltende neutronensterren een zeer massief metastabiel object vormen met een dichtheid die groter is dan die van atoomkernen en met temperaturen van 10, 000 keer hoger dan in de kern van de zon.

De meting van zwaartekrachtsgolven die worden uitgezonden door samensmeltende neutronensterren zou kunnen dienen als boodschapper van mogelijke faseovergangen in de ruimte. De faseovergang moet een karakteristieke signatuur achterlaten in het zwaartekrachtgolfsignaal. De onderzoeksgroepen uit Frankfurt, Darmstadt en Ohio (Goethe University/FIAS/GSI/Kent University) en Darmstadt en Wroclaw (GSI/Wroclaw University) gebruikten moderne supercomputers om te berekenen hoe deze handtekening eruit zou kunnen zien. Voor dit doeleinde, ze gebruikten meerdere theoretische modellen van de faseovergang.

Indien een faseovergang meer na de feitelijke fusie plaatsvindt, kleine hoeveelheden quarks zullen geleidelijk in het samengevoegde object verschijnen. "Met behulp van de Einstein-vergelijkingen, we konden voor het eerst aantonen dat deze subtiele verandering in de structuur een afwijking in het zwaartekrachtgolfsignaal zal veroorzaken totdat de nieuw gevormde massieve neutronenster onder zijn eigen gewicht instort en een zwart gat vormt, " legt Luciano Rezzolla uit, die hoogleraar theoretische astrofysica is aan de Goethe-universiteit.

In de computermodellen van Dr. Andreas Bauswein van GSI Helmholtzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt vindt al direct na de fusie een faseovergang plaats:een kern van quarkmaterie vormt zich in het binnenste van het centrale object. "We zijn erin geslaagd om aan te tonen dat er in dit geval een duidelijke verschuiving zal zijn in de frequentie van het zwaartekrachtgolfsignaal, "zegt Bauswein. "Dus, we hebben een meetbaar criterium geïdentificeerd voor een faseovergang in zwaartekrachtsgolven van neutronensterfusies in de toekomst."

Nog niet alle details van het zwaartekrachtsgolfsignaal zijn meetbaar met huidige detectoren. Echter, ze zullen waarneembaar worden zowel met de volgende generatie detectoren, evenals met een fusie-evenement relatief dicht bij ons. Een complementaire benadering om de vragen over quarkmaterie te beantwoorden, wordt geboden door twee experimenten:door zware ionen te laten botsen bij de bestaande HADES-opstelling bij GSI en bij de toekomstige CBM-detector bij de Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR), die momenteel in aanbouw is bij GSI, gecomprimeerde nucleaire materie zal worden geproduceerd. Bij de botsingen het zou mogelijk zijn om temperaturen en dichtheden te creëren die vergelijkbaar zijn met die bij een fusie van neutronensterren. Beide methoden geven nieuwe inzichten in het optreden van faseovergangen in nucleaire materie en daarmee in de fundamentele eigenschappen ervan.