(Jyrki Hokkanen, CSC – IT Center for Science) Neutronensterne stehen ganz oben auf der Liste der köstlichsten Objekte im Universum. Erstens war es dicht. Atomnudeln ' unter ihrer Kruste. Jetzt haben wir neue Beweise dafür, dass die Kerne der massereichsten Neutronensterne aus einer exotischen „Suppe“ subatomarer Teilchen, sogenannten Quarks, bestehen.
Physiker haben anhand von Daten neue Berechnungen durchgeführt Gravitationswellen zuerst entdeckt von a Neutronensternkollision im August 2017 , zusammen mit Beobachtungen von überraschend massereiche Neutronensterne . Ihre Schlussfolgerung deutet auf ein aufregendes Ergebnis hin: Die Kerne der massereichsten Neutronensterne sind so dicht, dass Atomkerne nicht mehr existieren und sich zu Quarkmaterie verdichten.
Es sei ein wichtiger Meilenstein, um das seltsame Innere dieser extremen Objekte zu verstehen, sagen die Forscher.
„Die Bestätigung der Existenz von Quarkkernen in Neutronensternen war eines der wichtigsten Ziele von Neutronenstern Physik, seit diese Möglichkeit vor etwa 40 Jahren zum ersten Mal in Betracht gezogen wurde“, sagte der theoretische Physiker Aleksi Vuorinen der Universität Helsinki und des Helsinki Institute of Physics.
Neutronensterne sind ziemlich wild. Sie sind tatsächlich tot – die kollabierten Überreste massereicher Sterne, die zwischen 8 und 30 Sonnenmassen gehabt hätten (eine Messung, die auf der Masse der Sonne basiert). Wenn diese Sterne zur Supernova werden, wird der größte Teil ihrer Masse in den Weltraum geschleudert; Der verbleibende Kern kollabiert zu einem unglaublich dichten Objekt.
Die resultierenden Neutronensterne können zwischen etwa 1,1 und liegen 2,3 Sonnenmassen , verpackt in einer dichten, kleinen Kugel mit einem Durchmesser von nur 10 bis 20 Kilometern. Fünf große Neutronensterne, von denen jeder mehr Masse als unsere Sonne hat, könnten bequem hineinpassen Hadrianswall , und mit Platz zum Verschenken.
Wenn die Kernkollaps-Supernova auftritt, werden die Protonen und Elektronen in den Atomen, aus denen das Objekt besteht, zu Neutronen komprimiert Neutrinos . Die Neutrinos entweichen und lassen die Neutronen unter so hohen Druckbedingungen zurück, dass sie miteinander verschmelzen und den Neutronenstern im Wesentlichen zu einem großen Kern mit einer Dichte von mehr als 100 % machen 100 Billionen Mal so viel wie Wasser an der Basis der Kruste. (Dadurch entsteht die „Atomnudeln“-Strukturen .)
Es wird jedoch erwartet, dass die Dichte zunimmt, je tiefer man vordringt, und hier kommt die Idee der Quark-Materie-Kerne ins Spiel. Quarks sind fundamentale subatomare Teilchen, die sich zu zusammengesetzten Teilchen wie Protonen und Neutronen verbinden.
Sie können wahrscheinlich sehen, wohin das führt. Für ein paar Jahrzehnte , haben Astronomen die Hypothese aufgestellt, dass Neutronen bei ausreichend großer Hitze und Dichte noch weiter in ihre Quarks zerfallen und so eine Art Quarksuppe entstehen.
Allerdings ist es wirklich schwierig herauszufinden, was sich in einem Neutronenstern befindet. Die Kollision im August 2017 – GW170817 - war für Astronomen sehr spannend, da man die Art und Weise, wie sich die beiden Sterne veränderten, als sie nahe genug kamen, um sich gegenseitig durch die Schwerkraft zu verformen, offenbaren konnte Informationen über ihre innere Struktur .
Vuorinen und sein Team haben das genutzt Gravitationswelle Signal zusammen mit neuen theoretischen und teilchenphysikalischen Ergebnissen, um ihre verlockende Berechnung zu erstellen. Sie fanden heraus, dass Neutronensterne in der Nähe der oberen Massengrenze solcher Objekte – mindestens 2 Sonnenmassen – Eigenschaften aufweisen, die auf das Vorhandensein eines riesigen Quark-Materiekerns hinweisen, der mehr als die Hälfte des Gesamtdurchmessers des Neutronensterns beträgt.
Es ist kein absoluter Volltreffer; aber die Berechnungen deuten darauf hin, dass etwas wirklich Seltsames vor sich gehen müsste, wenn die Kerne dieser Sterne vorhanden wären nicht Quark-Materie.
„Es besteht immer noch eine geringe, aber nicht bei Null liegende Wahrscheinlichkeit, dass alle Neutronensterne ausschließlich aus Kernmaterie bestehen.“ Voorinen erklärte .
„Wir konnten jedoch quantifizieren, was dieses Szenario erfordern würde.“ Kurz gesagt, das Verhalten dichter Kernmaterie müsste dann wirklich eigenartig sein. Beispielsweise müsste die Schallgeschwindigkeit nahezu die des Lichts erreichen.“
Die Entdeckung von Quark-Materie in Neutronensternen wäre nicht nur für sich genommen erstaunlich – sie könnte uns auch dabei helfen, mehr über die allerersten Momente unseres Universums zu erfahren.
Kosmologen glauben, dass für ein paar Mikrosekunden kurz nach dem Urknall bekannt als Quark-Epoche , war das Universum mit einer heißen Suppe aus Quark-Gluon-Plasma gefüllt, die schnell zusammenfloss Hadronen .
Heutzutage können wir Quark-Materie nur noch für sehr kurze Zeit finden Experimente mit Teilchenbeschleunigern ; aber einige massereiche Neutronensterne könnten es auch beherbergen. Wenn wir die Neutronensternbedingungen charakterisieren können, unter denen Quark-Materie entsteht, könnte uns das helfen, die Quark-Epoche besser zu verstehen.
Seit GW170817 gibt es die LIGO-Virgo-Kollaboration entdeckte eine zweite Neutronensternverschmelzung , und es ist nur eine Frage der Zeit, bis weitere Fusionen hinzukommen. Die Analyse weiterer Fusionen könnte dem Team helfen, seine Berechnungen weiter zu validieren und die Unsicherheiten auszuräumen.
„Es gibt Grund zu der Annahme, dass das goldene Zeitalter der Gravitationswellen-Astrophysik gerade erst beginnt und wir in Kürze noch viele weitere Sprünge wie diesen in unserem Verständnis der Natur erleben werden.“ Sagte Vuorinen .
Die Forschung wurde veröffentlicht in Naturphysik .