Neutronensterren zijn als kosmische bonbons
Volgens astrofysici zijn neutronensterren te vergelijken met gigantische kosmische bonbons. Neutronensterren behoren tot de meest dichte objecten in het heelal.
Astrofysici die het binnenste van neutronensterren modelleren hebben ontdekt dast de extreem compacte objecten, afhankelijk van hun massa, verschillende interne structuren hebben. Ze stellen voor om de sterren te zien als verschillende soorten bonbons, een heerlijke traktatie alhoewel daar dan ook wel meteen de overeenkomsten eindigen.
Neutronensterren zijn de buitengewoon dichte restanten van massieve sterren die zijn geïmplodeerd; in termen van dichtheid staan ze op de tweede plaats, na zwarte gaten. Neutronensterren worden zo genoemd omdat hun zwaartekracht ervoor zorgt dat de elektronen van hun atomen instorten op de protonen waardoor een object ontstaat dat bijna volledig uit neutronen bestaat.
De zwaartekrachtvelden van neutronensterren supersterk. Als een menselijke waarnemer er te dichtbij zou komen dan zou die op atomair niveau uit elkaar worden gescheurd. Hun zwaartekrachtvelden zijn zo sterk dat een “berg” op een neutronenster minder dan een millimeter hoog zou zijn.
Het onderzoeksteam heeft miljoenen modellen geconstrueerd om te proberen de interne werking van deze sterren te onderscheiden. Ze zijn namelijk opmerkelijk moeilijk te bestuderen en als gevolg daarvan meer het domein van theorie dan van observatie.
De onderzoekers ontdekten dat lichtere neutronensterren – die met een massa van ongeveer 1,7 zonsmassa en kleiner – een zachte mantel moeten hebben en stijve kernen. Zwaardere neutronensterren zijn het tegenovergestelde, aldus het onderzoeksteam dat zijn bevindingen afgelopen week publiceerde in The Astrophysical Journal Letters.
Het onderzoek werd geleid door de astrofysicus Luciano Rezzolla en hij vergeleek de structuur van de sterren met chocoladebonbons.
Lichte sterren lijken op die chocolaatjes met een hazelnoot in het midden omgeven door zachte chocolade. Zware sterren daarentegen kunnen meer worden beschouwd als chocolaatjes met een harde laag die een zachte vulling bevatten.
De onderzoekers modelleerden meer dan een miljoen mogelijke scenario’s voor de samenstelling van neutronensterren. Die modellen waren gebaseerd op de verwachtingen voor druk, massa, volume en temperatuur van de ster. Ook werden er astronomische waarnemingen van de objecten in de modellen verwerkt.
Modellering is een cruciaal middel om neutronensterren te bestuderen. Op Aarde zijn namelijk slechts twee instrumenten – de Large Hadron Collider van CERN en het Matter in Extreme Conditions-instrument van SLAC – in staat om zulke intense fysica na te bootsen.
Om de samenstelling en opbouw van sterren te bepalen hebben de onderzoekers gemodelleerd hoe de geluidssnelheid door de objecten zou gaan. Geluidsgolven worden ook gebruikt om de interne structuur van planeten te begrijpen. Dit heeft bijvoorbeeld de Mars InSight lander op de rode planeet ook gedaan.
Door miljoenen toestandsvergelijkingen te construeren (van waaruit de geluidssnelheid kan worden berekend) hebben de onderzoekers aangetoond dat maximaal zware neutronensterren een lagere geluidssnelheid hebben in het kerngebied dan in de buitenste lagen. Dit wijst op enige materiële verandering in hun kernen zoals bijvoorbeeld een overgang van baryonische naar quark-materie.
De onderzoekers ontdekten ook dat alle neutronensterren waarschijnlijk, ongeacht hun massa, ongeveer 12 kilometer groot zijn. Die meting is minder dan de helft van een bevinding uit 2020 die stelde dat de typische neutronenster een diameter van 22 kilometer heeft. Ondanks die grootte is de gemiddelde massa van een neutronenster ongeveer een half miljoen aardes.
Hoewel de bevindingen enig inzicht bieden in de diversiteit van neutronensterren in termen van consistentie hebben de onderzoekers de ingrediënten van de sterren of hoe ze in elkaar zitten, niet onderzocht. Sommigen vermoeden dat neutronensterren volledig uit neutronen bestaan maar anderen geloven dat de centra van de sterren fabrieken zijn voor exotische, tot nu toe ongedefinieerde deeltjes.
Maar voor het grootste deel blijven deze superdichte raadsels precies dat. Gelukkig zijn er observatoria opgezet om meer directe gegevens te verzamelen. Fusies (d.w.z. gewelddadige botsingen) tussen neutronensterren en met zwarte gaten kunnen de massa van de betrokken objecten onthullen. Evenals de aard van het materiaal van neutronensterren.
Projecten zoals NICER, NANOGrav, de CHIME radiotelescoop en de LIGO en Virgo wetenschappelijke samenwerkingen leren natuurkundigen allemaal over de grootte en structuur van neutronensterren.
Er kunnen meer waarneemgegevens in modellen worden ingevoerd door betere schattingen van de aspecten van de sterren. Zeer zware neutronensterren (in de marge van twee zonsmassa’s) zijn bijzonder nuttig om de verwachtingen van de fysieke kenmerken van deze extreme objecten beter te kunnen inschatten.
Met ene beetje geluk krijgen astrofysici binnenkort meer details over de exacte ingrediënten van deze gigantische kosmische bonbons – en hoe hun receptuur, afhankelijk van hun grootte, kan verschillen.
Eerste publicatie: 19 november 2022