Meer bewijs voor quarkmaterie in zware neutronensterren
Kernen van neutronensterren bevatten materie met de hoogste dichtheid die in ons huidige heelal wordt bereikt, met maar liefst twee zonsmassa’s aan materie samengeperst in een bol met een diameter van 25 kilometer. Deze astrofysische objecten kunnen inderdaad worden gezien als gigantisch atoomkernen, waarvan de zwaartekracht hun kernen samendrukt tot dichtheden die die van individuele protonen en neutronen vele malen overschrijden.
Deze dichtheden maken neutronensterren vanuit het oogpunt van de deeltjes- en kernfysica interessante astrofysische objecten. Een al lang bestaand open probleem is of de immense centrale druk van neutronensterren protonen en neutronen kan samenpersen in een nieuwe fase van materie, bekend als koude quarkmaterie. In deze exotische toestand van de materie bestaan er geen individuele protonen en neutronen meer.
“De samenstellende quarks en gluonen worden in plaats daarvan bevrijd van hun typische kleurbeperking en kunnen zich vrijwel vrij bewegen”, legt Aleksi Vuorinen uit, hoogleraar theoretische deeltjesfysica aan de universiteit van Helsinki.
Een sterke faseovergang kan de dag alsnog verpesten
In een nieuw artikel, gepubliceerd in Nature Communications, heeft een team van de universiteit van Helsinki een allereerste kwantitatieve schatting gegeven van de waarschijnlijkheid van kernen van quarkmaterie in massieve neutronensterren. Ze toonden aan dat, op basis van de huidige astrofysische waarnemingen, quarkmaterie vrijwel onvermijdelijk is in de zwaarste neutronensteren: een kwantitatieve schatting die het team maakte plaatste de waarschijnlijkheid tussen 80 en 90%.
De resterende kleine waarschijnlijkheid dat alle neutronensterren uitsluitend uit nucleaire materie bestaan, vereist dat de overgang van nucleaire naar quarkmaterie een sterke faseovergang van de eerste orde is die enigszins lijkt op die van vloeibaar water dat in ijs verandert. Dit soort snelle veranderingen in de eigenschappen van neutronenstermaterie heeft het potentieel om de ster zodanig te destabiliseren dat de vorming van zelfs een minuscule kern van quarkmaterie ertoe zou leiden dat de ster in een zwart gat zou instorten.
De internationale samenwerking tussen wetenschappers uit Finland, Noorwegen , Duitsland en de Verenigde Staten heeft verder kunnen aantonen hoe het bestaan van kernen van quarkmaterie op een dag volledig kan worden bevestigd of uitgesloten. De sleutel is het kunnen beperken van de sterkte van de faseovergang tussen nucleaire materie en quarkmaterie, die naar verwachting mogelijk zal zijn zodra op een dag een zwaartekrachtgolfsignaal van het laatste deel van een fusie tussen dubbelster en neutronenster wordt geregistreerd.
Enorme supercomputer draait op basis van waarneemgegevens
Een belangrijk ingrediënt bij het afleiden van de nieuwe resultaten was een reeks enorme supercomputerberekeningen waarbij gebruik werd gemaakt van Bayesiaanse interferentie – een tak van statistische deductie waarbij men de waarschijnlijkheid van verschillende modelparameters afleidt via directe vergelijking met waarneemgegevens.
De Bayesiaanse component van het onderzoek stelde de onderzoekers in staat nieuwe grenzen af te leiden voor de eigenschappen van neutronenstermaterie, waardoor ze zogenaamd conformeel gedrag nabij de kernen van de zwaarste stabiele neutronensterren konden benaderen.
Dr. Joonas Nättilä, een van de hoofdauteurs van het artikel, beschrijft het werk als een interdisciplinaire inspanning waarvoor expertise nodig was uit de astrofysica, deeltjes- en kernfysica, maar ook uit de informatie. Hij staat op het punt om in mei 2024 te beginnen als universitair hoofddocent aan de universiteit van Helsinki.
“Het is fascinerend om concreet te zien hoe elke nieuwe neutronensterwaarneming ons in staat stelt de eigenschappen van neutronenstermaterie met toenemende precisie af te leiden.”
De onderzoekers hebben miljoenen CPU-uren aan supercomputertijd moeten gebruiken om hun theoretische voorspellingen te kunnen vergelijken met waarnemingen en om de waarschijnlijkheid van kernen van quarkmaterie te kunnen beperken. De berekeningen werden uitgevoerd door het Finse supercomputercentrum CSC.
Artikel: Eemeli Annala et al, Strongly interacting matter exhibits deconfined behavior in massive neutron stars, Nature Communications (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-44051-y
Eerste publicatie: 28 december 2023
Bron: Nature Communications/universiteit van Helsinki
