Een nieuwe studie onder leiding van GSI-wetenschappers en internationale collega's onderzoekt de vorming van zwarte gaten bij fusies van neutronensterren. Computersimulaties tonen aan dat de eigenschappen van dichte nucleaire materie een cruciale rol spelen, die de astrofysische fusie-gebeurtenis rechtstreeks koppelt aan experimenten met zware ionenbotsingen bij GSI en FAIR. Deze eigenschappen zullen in de toekomstige FAIR-faciliteit nader worden bestudeerd. De resultaten zijn nu gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven . Met de toekenning van de Nobelprijs voor Natuurkunde 2020 voor de theoretische beschrijving van zwarte gaten en voor de ontdekking van een superzwaar object in het centrum van onze melkweg, het onderwerp krijgt momenteel ook veel aandacht.

Maar onder welke omstandigheden ontstaat een zwart gat eigenlijk? Dat is de centrale vraag van een onderzoek onder leiding van het GSI Helmholtzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt binnen een internationale samenwerking. Met behulp van computersimulaties, de wetenschappers richten zich op een bepaald proces om zwarte gaten te vormen, namelijk het samensmelten van twee neutronensterren.

Neutronensterren bestaan ​​uit sterk gecomprimeerde dichte materie. De massa van anderhalve zonnemassa wordt samengeperst tot de grootte van slechts enkele kilometers. Dit komt overeen met vergelijkbare of zelfs hogere dichtheden dan in het binnenste van atoomkernen. Als twee neutronensterren samensmelten, de materie wordt extra gecomprimeerd tijdens de botsing. Dit brengt het fusie-overblijfsel op het punt om in te storten tot een zwart gat. Zwarte gaten zijn de meest compacte objecten in het heelal, zelfs licht kan niet ontsnappen, dus deze objecten kunnen niet direct worden waargenomen.

"De kritische parameter is de totale massa van de neutronensterren. Als deze een bepaalde drempel overschrijdt, is de ineenstorting tot een zwart gat onvermijdelijk, " vat Dr. Andreas Bauswein van de GSI-theorieafdeling samen. Echter, de exacte drempelmassa hangt af van de eigenschappen van zeer dichte nucleaire materie. In detail zijn deze eigenschappen van materie met een hoge dichtheid nog steeds niet volledig begrepen, daarom botsen onderzoekslaboratoria zoals GSI met atoomkernen - als een fusie van neutronensterren, maar op een veel kleinere schaal. In feite, de botsingen van zware ionen leiden tot zeer vergelijkbare omstandigheden als fusies van neutronensterren. Op basis van theoretische ontwikkelingen en fysieke experimenten met zware ionen, het is mogelijk om bepaalde modellen van neutronenstermaterie te berekenen, zogenaamde toestandsvergelijkingen.

Gebruikmakend van tal van van deze staatsvergelijkingen, de nieuwe studie berekende de drempelmassa voor de vorming van zwarte gaten. Als neutronenster materie of nucleaire materie, respectievelijk, is gemakkelijk samendrukbaar - als de toestandsvergelijking 'zacht' is - leidt de samensmelting van een relatief lichte neutronenster al tot de vorming van een zwart gat. Als nucleaire materie 'stijver' en minder samendrukbaar is, het overblijfsel wordt gestabiliseerd tegen de zogenaamde zwaartekrachtinstorting en een enorm roterend neutronensterrestant vormt zich van de botsing. Vandaar, de drempelmassa voor instorting zelf informeert over eigenschappen van materie met een hoge dichtheid. De nieuwe studie onthulde verder dat de drempel om in te storten zelfs kan verduidelijken of tijdens de botsing nucleonen oplossen in hun bestanddelen, de quarks.

"We zijn erg enthousiast over deze resultaten omdat we verwachten dat toekomstige waarnemingen de drempelmassa kunnen onthullen, ", voegt professor Nikolaos Stergioulas van de afdeling natuurkunde van de Aristoteles Universiteit van Thessaloniki in Griekenland toe. Slechts een paar jaar geleden werd voor het eerst een fusie van neutronensterren waargenomen door zwaartekrachtsgolven van de botsing te meten. Telescopen vonden ook de elektromagnetische tegenhanger en detecteerden licht Als er tijdens de botsing direct een zwart gat wordt gevormd, de optische emissie van de fusie is vrij zwak. Dus, de waarnemingsgegevens geven aan of er een zwart gat is ontstaan. Tegelijkertijd bevat het zwaartekrachtgolfsignaal informatie over de totale massa van het systeem. Hoe massiever de sterren, hoe sterker het zwaartekrachtgolfsignaal, waarmee dus de drempelmassa kan worden bepaald.

Terwijl zwaartekrachtgolfdetectoren en telescopen wachten op de volgende fusie van neutronensterren, in Darmstadt wordt koers gezet naar kennis die nog gedetailleerder is. De nieuwe acceleratorfaciliteit FAIR, momenteel in aanbouw bij GSI, zal voorwaarden scheppen, die zelfs meer lijken op die in neutronensterfusies. Eindelijk, alleen de combinatie van astronomische waarnemingen, computersimulaties en experimenten met zware ionen kunnen de vragen beantwoorden over de fundamentele bouwstenen van materie en hun eigenschappen, en, door deze, ze zullen ook verduidelijken hoe de ineenstorting tot een zwart gat plaatsvindt.