Hoe zwaar kunnen neutronensterren worden?

samensmeltende neutronensterren
Artist impression van twee samensmeltende neutronensterren. Credit: Robin Dienel; Carnegie Institution for Science

Sinds hun ontdekking in de jaren 60 van de vorige eeuw hebben astronomen gezocht naar het antwoord op een belangrijke vraag: hoe zwaar kan een neutronenster eigenlijk worden? In tegenstelling tot zwarte gaten kunnen sterren niet onbeperkt massa verzamelen; voorbij een bepaalde limiet is er geen natuurkundige kracht meer die tegenwicht kan bieden aan de enorme zwaartekracht. Voor het eerst hebben astrofysici van de Goethe Universiteit van Frankfurt een bovengrens berekend voor de maximale massa die een neutronenster kan bereiken.

Met een straal van ongeveer 12 kilometer en een massa van meer dan 2 zonsmassa behoren neutronensterren tot de zwaarste objecten in ons heelal en ze produceren zwaartekrachtgolven die vergelijkbaar zijn met die van zwarte gaten. De meeste neutronensterren hebben een massa van ongeveer 1,4 zonsmassa maar er zijn ook zwaardere exemplaren bekend zoals de pulsar PSR J0348+0432 die een massa van 2,01 zonsmassa heeft.

Neutronensterren hebben een enorme dichtheid die je kan zien als de hele Himalaya samengeperst in een bierglas. Er zijn echter aanwijzingen dat als een neutronenster een bepaalde maximale massa overschrijdt hij ineenstort tot een zwart gat, zelfs als er maar één neutron wordt toegevoegd. Echter bij welke massa was tot nu toe volledig onbekend.

Professor Luciano Rezzolla van de Goethe Universiteit van Frankfurt heeft nu samen met enkele studenten dit 40-jarige probleem opgelost: met een nauwkeurigheid van een paar procent hebben ze berekend dat de maximale massa van een niet-draaiende neutronenster niet groter kan zijn dan 2.16 zonsmassa.

De basis voor dit resultaat was gelegen in een benadering die de “universele relaties” wordt genoemd en die een paar jaar geleden is ontwikkeld aan de Universiteit van Frankfurt.

Het bestaan van “universele relaties” impliceert dat praktisch alle neutronensterren op elkaar lijken en dat betekent dat hun eigenschappen kunnen worden uitgedrukt in dimensie loze hoeveelheden. De onderzoekers combineerden deze “universele relaties” met gegevens die werden verkregen van signalen van zwaartekrachtgolven en de daaropvolgende elektromagnetische (kilonova) straling die werd waargenomen toen afgelopen jaar door de LIGO werden waargenomen bij het versmelten van twee neutronensterren. Berekeningen konden sterk vereenvoudigd worden en ze leidden tot een theoretisch model dat de dichte materie in het binnenste van een ster beschrijft en die informatie verschaft over de samenstelling op verschillende dieptes in de ster. Deze universele relatie speelde derhalve een belangrijke rol in het bepalen van de nieuwe maximale massa van een neutronenster.

Het resultaat is een mooi voorbeeld van de interactie tussen theoretisch en experimenteel onderzoek. Theoretisch onderzoek kan voorspellingen doen echter theorie heeft ook experimenten nodig om onzekerheden in de theorie te verkleinen. Volgens professor Rezzolla is het daarom best wel opmerkelijk dat de waarneming van slechts een enkele samensmelting van neutronensterren die plaatsvond op een afstand van miljoenen lichtjaren gecombineerd met universele relaties die door middel van theoretisch onderzoek zijn bepaald een raadsel hebben opgelost dat in het verleden tot veel discussies heeft geleid.

Het onderzoek werd gepubliceerd als een Letter of The Astrophysical Journal en slechts enkele dagen na publicatie werden de bevindingen bevestigd door onderzoeksgroepen uit de Verenigde Staten en Japan. Zij maakten gebruik van een andere benadering om hetzelfde resultaat te bereiken.

Men verwacht dat de zwaartekrachtgolven-astronomie in de toekomst veel van dergelijke gebeurtenissen zal waarnemen waardoor men de onzekerheden in de maximale massa zal kunnen verkleinen. Men zal hierbij ook gebruikmaken van deeltjesversnellers zoals CERN of FAIR in Duitsland.

 

Eerste publicatie: 18 januari 2018
Bron: Goethe Universiteit Frankfurt