Een internationaal onderzoeksteam heeft voor het eerst gegevens van zware-ion-experimenten, zwaartekrachtsgolfmetingen en andere astronomische waarnemingen gecombineerd met behulp van geavanceerde theoretische modellering om de eigenschappen van nucleaire materie zoals deze in het binnenste van neutronensterren kan worden gevonden, nauwkeuriger te beperken. De resultaten zijn gepubliceerd in het tijdschrift Nature .

In het hele universum worden neutronensterren geboren in supernova-explosies die het einde van het leven van massieve sterren markeren. Soms zijn neutronensterren gebonden in binaire systemen en zullen ze uiteindelijk met elkaar in botsing komen. Deze hoogenergetische, astrofysische verschijnselen hebben zulke extreme omstandigheden dat ze de meeste zware elementen produceren, zoals zilver en goud. Bijgevolg zijn neutronensterren en hun botsingen unieke laboratoria om de eigenschappen van materie te bestuderen bij dichtheden die ver buiten de dichtheden binnen atoomkernen liggen. Botsingsexperimenten met zware ionen uitgevoerd met deeltjesversnellers zijn een aanvullende manier om materie te produceren en te onderzoeken bij hoge dichtheden en onder extreme omstandigheden.

Nieuwe inzichten in de fundamentele interacties die spelen in nucleaire materie

"Het combineren van kennis van kerntheorie, nucleair experiment en astrofysische waarnemingen is essentieel om licht te werpen op de eigenschappen van neutronenrijke materie over het gehele dichtheidsbereik dat wordt onderzocht in neutronensterren", zegt Sabrina Huth, Instituut voor Kernfysica aan de Technische Universiteit Darmstadt, wie is een van de hoofdauteurs van de publicatie. Peter T. H. Pang, een andere hoofdauteur van het Instituut voor Gravitatie- en Subatomaire Fysica (GRASP), Universiteit Utrecht, voegde toe:"We vinden dat beperkingen van botsingen van goudionen met deeltjesversnellers een opmerkelijke consistentie vertonen met astrofysische waarnemingen, ook al zijn ze verkregen met totaal verschillende methoden."

Dankzij recente vooruitgang in de multi-messenger-astronomie heeft het internationale onderzoeksteam, waarbij onderzoekers uit Duitsland, Nederland, de VS en Zweden betrokken waren, nieuwe inzichten gekregen in de fundamentele interacties die een rol spelen in nucleaire materie. In een interdisciplinaire inspanning hebben de onderzoekers informatie die is verkregen bij botsingen met zware ionen opgenomen in een raamwerk dat astronomische waarnemingen van elektromagnetische signalen, metingen van zwaartekrachtsgolven en krachtige astrofysica-berekeningen combineert met theoretische kernfysica-berekeningen. Hun systematische studie combineert al deze afzonderlijke disciplines voor het eerst, wat wijst op een hogere druk bij intermediaire dichtheden in neutronensterren.

Gegevens van botsingen met zware ionen inbegrepen

De auteurs hebben de informatie van goud-ionbotsingsexperimenten die zijn uitgevoerd bij GSI Helmholtzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt, evenals bij Brookhaven National Laboratory en Lawrence Berkeley National Laboratory in de VS, verwerkt in hun meerstaps procedure die de beperkingen van nucleaire theorie en astrofysische waarnemingen analyseert, inclusief neutronenstermassametingen door middel van radiowaarnemingen, informatie van de Neutron Star Interior Composition Explorer (NICER) missie op het International Space Station (ISS), en multi-messenger observaties van fusies van binaire neutronensterren.

De kerntheoretici Sabrina Huth en Achim Schwenk van de Technische Universiteit Darmstadt en Ingo Tews van het Los Alamos National Laboratory waren van cruciaal belang om de informatie die werd verkregen bij botsingen van zware ionen te vertalen naar materie van neutronensterren, die nodig is om de astrofysische beperkingen op te nemen.

Het opnemen van gegevens van botsingen met zware ionen in de analyses heeft extra beperkingen mogelijk gemaakt in het dichtheidsgebied waar nucleaire theorie en astrofysische waarnemingen minder gevoelig zijn. Dit heeft bijgedragen tot een vollediger begrip van dichte materie. In de toekomst kunnen verbeterde beperkingen van botsingen met zware ionen een belangrijke rol spelen om de nucleaire theorie en astrofysische waarnemingen te overbruggen door aanvullende informatie te verstrekken. Dit geldt met name voor experimenten die hogere dichtheden onderzoeken, en het verminderen van de experimentele onzekerheden heeft een groot potentieel om nieuwe beperkingen op te leggen voor de eigenschappen van neutronensterren. Nieuwe informatie aan beide kanten kan eenvoudig in het raamwerk worden opgenomen om het begrip van dichte materie de komende jaren verder te verbeteren. + Verder verkennen

Zwart gat of geen zwart gat:over de uitkomst van botsingen met neutronensterren