Das extremste Material im Universum
In den ersten Mikrosekunden nach dem Urknall war das Universum so heiß und dicht, dass Quarks und Gluonen — die grundlegenden Bestandteile von Protonen und Neutronen — sich nicht zu zusammengesetzten Teilchen verbinden konnten. Stattdessen existierten sie als frei fließendes Plasma, ein Materiezustand so exotisch, dass er auf der Erde nur kurzzeitig bei Schwerionen-Kollisionen an Einrichtungen wie dem Large Hadron Collider von CERN und dem Relativistic Heavy Ion Collider von Brookhaven nachgebildet wurde, wo Gold- oder Bleikerne mit nahezu Lichtgeschwindigkeit aufeinander treffen, um kurzzeitig die Bedingungen des frühen Universums nachzubilden.
Als sich das Universum abkühlte, durchlief dieses Quark-Gluon-Plasma einen Phasenübergang, und Quarks wurden dauerhaft in Protonen und Neutronen eingeschlossen. Es existiert seitdem nicht mehr frei im Universum. Oder so dachten Physiker. Neue theoretische Arbeiten und Beobachtungsbelege deuten auf eine bemerkenswerte Möglichkeit hin: Quark-Gluon-Plasma oder eine eng verwandte Quark-Materie-Phase könnte heute in den Kernen von Neutronensternen existieren, wo die durch Gravitationsverdichtung erreichten Dichten denen entsprechen oder diese übersteigen, bei denen die Quark-Konfinement zusammenbricht.
Neutronensterne als natürliche Physik-Laboratorien
Neutronensterne sind die Überreste massiver stellarer Explosionen — Objekte, die typischerweise zwischen 1,4 und 2,3 Sonnenmassen wiegen und in einer Sphäre von etwa 20 Kilometern Durchmesser komprimiert sind. Die Dichten in ihren Kernen sind außergewöhnlich und erreichen mehrere Male die Dichte von Atomkernen. Unter diesen Bedingungen wird das Verhalten dichter Kernmaterie durch Quantenchromodynamik in einem Regime regiert, wo Berechnungen äußerst schwierig sind und unser experimentelles Wissen begrenzt ist.
Bei den höchsten Dichten unterscheiden sich theoretische Modelle dramatisch. Einige sagen voraus, dass Kernmaterie als gewöhnliche Neutron- und Protonmaterie erhalten bleibt. Andere sagen einen Übergang zu Quark-Materie voraus, bei dem individuelle Quarks aus ihren Nukleon-Wirten dekonfiniert werden und relativ frei durch das Sterninnere fließen — ein kaltes, dichtes Analogon des Quark-Gluon-Plasmas, das im heißen frühen Universum existierte.
Der Beobachtungsweg zum Beweis
Der Schlüssel ist die Zustandsgleichung: die mathematische Beziehung zwischen Druck und Dichte im Stern, die seine Masse, seinen Radius und seine Gezeitenverstümmelung bestimmt. Unterschiedliche Modelle der Neutronensternmaterie sagen unterschiedliche Zustandsgleichungen und daher unterschiedliche beobachtbare stellare Eigenschaften voraus.
Die Gravitationswellenbeobachtungen von Neutronensternverschmelzungen, beginnend mit dem Meilenstein-Ereignis GW170817 im Jahr 2017, haben die Zustandsgleichung bereits erheblich eingeengt. Die Gezeitenverstümmelungsmessung aus diesem Ereignis — wie sehr sich jeder Neutronenstern im Gravitationsfeld des anderen vor der Kollision verformt — schließt die steifsten und weichsten Zustandsgleichungen aus, wodurch der Bereich zulässiger innerer Strukturen eingeengt wird. Zukünftige Gravitationswellenbeobachtungen mit verbesserten Detektoren, kombiniert mit NICER X-ray-Teleskopenmessungen von Neutronensternenradien, könnten den zulässigen Bereich weiter einengen — möglicherweise bis zu dem Punkt, an dem die Anwesenheit oder Abwesenheit eines Quark-Materie-Kerns unterscheidbar wird.
Warum dies wichtig ist
Die Frage, ob Quark-Materie in Neutronensternen existiert, ist nicht nur akademisch. Wenn Quark-Materie-Kerne bestätigt werden, würde dies eine tiefe Verbindung zwischen der Physik des frühen Universums und der Physik der dichtesten Objekte im gegenwärtigen Universum darstellen. Der Urknall und das Innere jedes massiven Sterns würden eine grundlegende Materieform teilen — eine Kontinuität, die zur tiefen Einheit des physikalischen Gesetzes unter extremen Bedingungen spricht.
Praktisch würde Quark-Materie in Neutronensternen beeinflussen, wie diese Sterne während Verschmelzungen verhalten, wie schnell sie sich nach der Bildung abkühlen, und was während der gewaltsamen letzten Sekunden vor zwei Neutronensternen passiert, die kollidieren und möglicherweise ein schwarzes Loch bilden. Das Verständnis dieser Details ist wichtig für die Interpretation der Gravitationswellen- und elektromagnetischen Signale von Neutronensternverschmelzungen — Signale, die unsere besten aktuellen Messungen der Hubble-Konstante liefern und die Informationen über den astrophysikalischen Ursprung schwerer Elemente wie Gold und Platin enthalten.
Der Weg voraus
Die nächste Generation von Gravitationswellendetektoren — Einstein Telescope in Europa und Cosmic Explorer in den Vereinigten Staaten — werden Neutronensternverschmelzungen mit einer Empfindlichkeit und Häufigkeit beobachten, die um mehrere Größenordnungen über den aktuellen Instrumenten liegen. Kombiniert mit fortgesetzten NICER-Beobachtungen und Gravitationswellenteleskopen der nächsten Generation werden sie den Datensatz generieren, der erforderlich ist, um Quark-Materie in Neutronensterninneren entweder zu bestätigen oder eindeutig auszuschließen. Innerhalb des nächsten Jahrzehnts könnte eine der ältesten Fragen der Physik — was letztendlich unter der extremsten Kompression mit Materie passiert — endlich eine Beobachtungsantwort haben.
Dieser Artikel basiert auf Berichterstattung von Space.com. Den Originalartikel lesen.
