Ein Relikt der Schöpfung im Herzen kollabierter Sterne
Neutronensterne gehören zu den extremsten Objekten im bekannten Universum. Sie entstanden durch den gewaltsamen Kollaps massiver Sternkerne während Supernova-Explosionen und packen eine Masse, die größer ist als die Sonne, in eine Kugel von der Größe einer Stadt, was zu Dichten führt, die so extrem sind, dass die wahre Natur der Materie in ihrem Inneren unsicher ist. Nun deuten eine wachsende Menge theoretischer und Beobachtungsbeweise darauf hin, dass die Kerne von Neutronensternen einen Materiezustand enthalten könnten, der nicht mehr frei beobachtet wurde, seit das Universum eine Mikrosekunde alt war: Quark-Gluon-Plasma, die primordiale Substanz des Urknalls.
Quark-Gluon-Plasma ist die Materienphase, die existierte, als das Universum jünger als ein Millionstel einer Sekunde war und die Temperaturen Billionen Grad überstiegen. Unter diesen Bedingungen sind Quarks — die fundamentalen Bestandteile von Protonen und Neutronen — nicht in zusammengesetzten Partikeln eingebunden, sondern existieren frei in einer heißen, dichten Suppe zusammen mit Gluonen, den Partikeln, die die starke Kernkraft vermitteln. Als sich das Universum abkühlte, wurden Quarks dauerhaft in Protonen, Neutronen und anderen Hadronen eingebunden, und Quark-Gluon-Plasma hörte auf, in natürlichen Bedingungen als freie Phase zu existieren.
Möglicherweise, außer in Neutronensternen. Berechnungen deuten darauf hin, dass Neutronensternkerne Dichten erreichen könnten, die hoch genug sind, um die Grenzen zwischen einzelnen Nukleonen aufzulösen und Bedingungen nachzubilden, unter denen Quarks frei umherlaufen — eine kalte, dichte Form von Quarkmaterie, die sich vom heißen Plasma des frühen Universums unterscheidet, aber von derselben fundamentalen Physik beherrscht wird. Ein Nachweis dafür würde eine der bedeutendsten Entdeckungen der modernen Astrophysik und Kernphysik darstellen.
Die bisherigen Erkenntnisse
Nachweise für Quarkmaterie in Neutronensternen kommen aus mehreren indirekten Richtungen, von denen keine einzeln schlüssig ist. Die stärksten Einschränkungen ergeben sich aus Gravitationswellen-Beobachtungen von Neutronensternverschmelzungen durch LIGO und Virgo. Wenn zwei Neutronensterne sich spiralförmig nähern und verschmelzen, enthalten die Gravitationswellen, die sie aussenden, Informationen über die innere Struktur der Sterne — speziell darüber, wie verformbar sie in ihrem gegenseitigen Gravitationsfeld sind, eine Eigenschaft namens Gezeitenverformbarkeit. Die gemessenen Gezeitenverformbarkeiten aus dem Meilenstein-Ereignis GW170817 beschränkten die Neutronenstern-Zustandsgleichung auf Weise, die einige theoretische Modelle nahelegen, werden am natürlichsten durch die Gegenwart von Quarkmaterie in den Sternenkernen erklärt.
Röntgenbeobachtungen von Neutronensternmassen und Radien bieten ergänzende Einschränkungen. Das NICER-Instrument auf der Internationalen Raumstation hat die Größen mehrerer Neutronensterne mit ausreichender Genauigkeit gemessen, um ihre innere Struktur einzuschränken. Kombinierte Massen- und Radiusmessungen können einige theoretische Zustandsgleichungen ausschließen und andere bevorzugen, wodurch der Bereich möglicher innerer Zusammensetzungen verengt wird. Aktuelle NICER-Daten identifizieren Quarkmaterie nicht schlüssig, sind aber mit ihrer Anwesenheit in den dichtesten bekannten Neutronensternen konsistent.
Die Herausforderung besteht darin, dass das Innere eines Neutronensterns der direkten Beobachtung nicht zugänglich ist, und theoretische Berechnungen des Materialverhaltens bei Neutronenstern-Dichten sind außerordentlich schwierig. Die Quantenchromodynamik — die Theorie, die Quark- und Gluon-Wechselwirkungen regiert — kann mittels Gitter-QCD-Methoden bei den in Atomkernen und den extremen Dichten des frühen Universums Quark-Gluon-Plasmas gefundenen Dichten rechnerisch gelöst werden, aber Zwischendichten, die Neutronensternkernen entsprechen, bleiben in einem Bereich, in dem aktuelle theoretische Methoden unzuverlässig sind. Die Unsicherheit ist kein Versagen der Physik, sondern eine echte Grenze der Berechnung.
Wie Wissenschaftler glauben, dass sie es beweisen können
Der Weg zur Bestätigung von Quarkmaterie in Neutronensternen führt durch Verbesserungen der Gravitationswellen-Detektor-Empfindlichkeit, präzisere Neutronenstern-Radiusmessungen und theoretische Fortschritte zum Verständnis dichter Kernmaterie. Die nächste Generation von Gravitationswellen-Detektoren — Einstein Telescope in Europa und Cosmic Explorer in den Vereinigten Staaten — wird Neutronensternverschmelzungen mit dramatisch verbesserter Empfindlichkeit beobachten und möglicherweise das Post-Merger-Gravitationswellen-Signal messen, das aktuelle Detektoren noch nicht nachweisen können und das Informationen darüber trägt, was mit Quarkmaterie während des gewaltsamen Zusammenpralls und Verschmelzungsprozesses geschieht.
Das Post-Merger-Signal ist besonders informativ, weil es vom Verhalten von Materie bei Dichten abhängt, die die Dichten vor der Verschmelzung wesentlich übersteigen. Wenn Quarkmaterie vorhanden ist und während der Verschmelzung einen Phasenwechsel durchläuft — von gewöhnlicher Kernmaterie zu dekonfinierten Quarks beim Erreichen von Dichtespitzen — würde der Frequenzinhalt der Gravitationswelle charakteristische Signaturen dieses Phasenwechsels tragen. Theoretische Vorhersagen darüber, wie diese Signaturen aussehen, sind ein aktives Forschungsgebiet, und künftige Detektoren könnten empfindlich genug sein, um sie zu beobachten.
Laborexperimente tragen ebenfalls zu diesem Bild bei. Schwer-Ionen-Kollisionen an Einrichtungen wie dem Large Hadron Collider am CERN und dem Relativistic Heavy Ion Collider am Brookhaven erzeugen Quark-Gluon-Plasma in Miniaturform für Bruchteile einer Sekunde und liefern experimentelle Daten über Quarkmaterie-Eigenschaften bei hohen Temperaturen, die Extrapolationen in den hochdichten, kühleren Temperaturbereich relevant für Neutronenstern-Innenräume einschränken können. Die theoretische Brücke zwischen diesen Bereichen ist nicht perfekt, aber verbessert sich mit Fortschritten der Kerntheorie.
Was dies für die Physik bedeutet
Der Nachweis von Quarkmaterie in Neutronensternen würde ein Meilenstein-Ergebnis für Kernphysik und Astrophysik zugleich sein. Es würde feststellen, dass eine von der Quantenchromodynamik vorhergesagte und momentan in Laborpartikelzuschlägen erzeugte Materienphase als stabiler Bestandteil makroskopischer astronomischer Objekte existiert — validiert die Theorie über einen außerordentlich breiten Bereich von Bedingungen und verbindet die mikroskopische Physik von Quarks mit der Astrophysik kompakter Objekte.
Die Entdeckung würde auch das Verständnis der Neutronenstern-Zustandsgleichung schärfen — das Verhältnis zwischen Druck und Dichte in diesen Objekten — das eines der zentralen offenen Probleme der Kernastrophysik ist. Eine bessere Zustandsgleichung verbessert Modelle von Supernova-Kollaps, Neutronensternbildung, Gravitationswellen-Emission aus Verschmelzungen und der r-Prozess-Nukleosynthese in Neutronensternverschmelzungen, die für die Produktion der meisten Gold-, Platin- und anderen Schwermetalle im Universum verantwortlich ist.
Für Physiker, die sich für die starke Kernkraft bei extremen Dichten interessieren, sind Neutronensterne natürliche Laboratorien, die kein irdisches Experiment replizieren kann. Jede neue Beobachtungseinschränkung ihrer inneren Struktur ist ein Fenster zur Physik, die auf der Erde nicht direkt erzeugt und untersucht werden kann, was das Projekt der Charakterisierung von Neutronenstern-Innenräumen zu einer der produktivsten Schnittstellen zwischen Astrophysik und Fundamentalphysik macht, die derzeit verfolgt wird.
Dieser Artikel basiert auf Berichten von Space.com. Lesen Sie den ursprünglichen Artikel.
