Een Finse onderzoeksgroep heeft sterk bewijs gevonden voor de aanwezigheid van exotische quarkmaterie in de kernen van de grootste neutronensterren die er bestaan. Ze kwamen tot deze conclusie door recente resultaten van theoretische deeltjes- en kernfysica te combineren met metingen van zwaartekrachtsgolven van botsingen met neutronensterren.

Alle normale materie om ons heen is samengesteld uit atomen, waarvan de dichte kernen, bestaande uit protonen en neutronen, zijn omgeven door negatief geladen elektronen. Echter, binnen neutronensterren, Het is bekend dat atomaire materie instort tot immens dichte nucleaire materie waarin de neutronen en protonen zo dicht opeengepakt zijn dat de hele ster als één enkele enorme kern kan worden beschouwd.

Tot nu toe, het is onduidelijk gebleven of nucleaire materie in de kernen van de meest massieve neutronensterren instort tot een nog exotischere toestand die quarkmaterie wordt genoemd, waarin de kernen zelf niet meer bestaan. Onderzoekers van de Universiteit van Helsinki beweren nu dat het antwoord op deze vraag ja is. De nieuwe resultaten zijn gepubliceerd in Natuurfysica .

"Het bevestigen van het bestaan ​​van quarkkernen in neutronensterren is een van de belangrijkste doelen van de fysica van neutronensterren sinds deze mogelijkheid ongeveer 40 jaar geleden voor het eerst werd overwogen, ", zegt universitair hoofddocent Aleksi Vuorinen van de afdeling Natuurkunde van de Universiteit van Helsinki.

Bestaan ​​zeer waarschijnlijk

Zelfs met grootschalige simulaties die worden uitgevoerd op supercomputers die niet in staat zijn het lot van nucleaire materie in neutronensterren te bepalen, de Finse onderzoeksgroep stelde een nieuwe benadering van het probleem voor. Ze realiseerden zich dat door recente bevindingen uit de theoretische deeltjes- en kernfysica te combineren met astrofysische metingen, het zou mogelijk zijn om de kenmerken en identiteit van materie in neutronensterren af ​​te leiden.

Naast Vuorinen, de groep omvat promovendus Eemeli Annala uit Helsinki, evenals hun collega's Tyler Gorda van de Universiteit van Virginia, Aleksi Kurkela van CERN, en Joonas Nättilä van Columbia University.

Volgens de studie, materie die zich in de kernen van de meest massieve stabiele neutronensterren bevindt, lijkt veel meer op quark-materie dan op gewone nucleaire materie. De berekeningen geven aan dat in deze sterren, de diameter van de kern geïdentificeerd als quarkmaterie kan groter zijn dan de helft van die van de gehele neutronenster. Echter, Vuorinen wijst erop dat er nog veel onzekerheden zijn over de exacte structuur van neutronensterren. Wat betekent het om te beweren dat quarkmaterie vrijwel zeker is ontdekt?

"Er is nog steeds een kleine maar niet-nul kans dat alle neutronensterren alleen uit nucleaire materie zijn samengesteld. Wat we hebben kunnen doen, echter, is kwantificeren wat dit scenario zou vereisen. Kortom, het gedrag van dichte nucleaire materie zou dan echt eigenaardig moeten zijn. Bijvoorbeeld, de geluidssnelheid zou bijna die van het licht moeten bereiken, ’ legt Vuorinen uit.

Straalbepaling uit waarnemingen van zwaartekrachtgolven

Een belangrijke factor die bijdroeg aan de nieuwe bevindingen was de opkomst van twee recente resultaten in observationele astrofysica:de meting van zwaartekrachtsgolven van een fusie van neutronensterren en de detectie van zeer massieve neutronensterren, met massa's dicht bij twee zonsmassa's.

In het najaar van 2017, de LIGO- en Virgo-observatoria gedetecteerd, Voor de eerste keer, zwaartekrachtgolven opgewekt door twee samensmeltende neutronensterren. Deze waarneming stelde een strikte bovengrens vast voor een hoeveelheid die getijdenvervormbaarheid wordt genoemd, die de gevoeligheid meet van de structuur van een ronddraaiende ster voor het zwaartekrachtsveld van zijn metgezel. Dit resultaat werd vervolgens gebruikt om een ​​bovengrens af te leiden voor de stralen van de botsende neutronensterren, wat ongeveer 13 km bleek te zijn.

evenzo, terwijl de eerste waarneming van een neutronenster helemaal teruggaat tot 1967, nauwkeurige massametingen van deze sterren zijn pas de afgelopen 20 jaar mogelijk geweest. De meeste sterren met een nauwkeurig bekende massa vallen binnen een raam van tussen de 1 en 1,7 stellaire massa's, maar het afgelopen decennium is getuige geweest van de detectie van drie sterren die de limiet van twee zonnemassa's bereikten of mogelijk zelfs iets overschrijden.

Verdere waarnemingen verwacht

Enigszins contra-intuïtief, informatie over de stralen en massa's van neutronensterren heeft de onzekerheden die samenhangen met de thermodynamische eigenschappen van neutronenstermaterie al aanzienlijk verminderd. Dit heeft het ook mogelijk gemaakt om de analyse van de Finse onderzoeksgroep in hun Natuurfysica artikel.

In de nieuwe analyse de astrofysische waarnemingen werden gecombineerd met state-of-the-art theoretische resultaten uit de deeltjes- en kernfysica. Dit maakte het mogelijk een nauwkeurige voorspelling af te leiden voor wat bekend staat als de toestandsvergelijking van neutronenstermaterie, die verwijst naar de relatie tussen de druk en de energiedichtheid. Een integraal onderdeel van dit proces was een bekend resultaat uit de algemene relativiteitstheorie, die de toestandsvergelijking relateert aan een relatie tussen de mogelijke waarden van neutronensterstralen en massa's.

Sinds het najaar van 2017 is er zijn een aantal nieuwe fusies van neutronensterren waargenomen, en LIGO en Maagd zijn snel een integraal onderdeel geworden van het onderzoek naar neutronensterren. Het is deze snelle accumulatie van nieuwe waarnemingsinformatie die een sleutelrol speelt bij het verbeteren van de nauwkeurigheid van de nieuwe bevindingen van de Finse onderzoeksgroep, en bij het bevestigen van het bestaan ​​van quarkmaterie in neutronensterren. Met verdere waarnemingen verwacht in de nabije toekomst, de onzekerheden die met de nieuwe resultaten gepaard gaan, nemen ook automatisch af.

"Er is reden om aan te nemen dat de gouden eeuw van de zwaartekrachtgolfastrofysica nog maar net begint, en dat we binnenkort nog veel meer van dit soort sprongen zullen zien in ons begrip van de natuur, ’ Vuorinen verheugt zich.