Materie vom Urknall könnte in Neutronensternen verborgen sein

Ein Überbleibsel der Schöpfung im Herzen kollabierter Sterne

Neutronensterne gehören zu den extremsten Objekten des bekannten Universums. Sie entstehen durch den gewaltsamen Kollaps massiver Sternkerne während Supernovae-Explosionen und packen eine größere Masse als die Sonne in eine Kugel von etwa der Größe einer Stadt, wobei Dichten entstehen, die so extrem sind, dass die Natur der Materie in ihrem Inneren unsicher ist. Eine wachsende Fülle theoretischer und Beobachtungsevidenz deutet nun darauf hin, dass die Kerne von Neutronensternen einen Materiezustand enthalten könnten, der seit etwa einer Mikrosekunde nach dem Urknall nicht mehr frei beobachtet wurde: Quark-Gluon-Plasma, der primordiale Stoff des Urknalls.

Quark-Gluon-Plasma ist der Materiezustand, der existierte, als das Universum jünger als eine Millionstel Sekunde war und die Temperaturen Billionen Grad überstiegen. Unter diesen Bedingungen sind Quarks – die fundamentalen Bestandteile von Protonen und Neutronen – nicht in zusammengesetzten Teilchen eingeschlossen, sondern existieren frei in einer heißen, dichten Suppe zusammen mit Gluonen, den Teilchen, die die starke Kernkraft vermitteln. Während sich das Universum abkühlte, wurden Quarks dauerhaft in Protonen, Neutronen und anderen Hadronen eingeschlossen, und Quark-Gluon-Plasma hörte auf, als freie Phase unter natürlichen Bedingungen zu existieren.

Außer möglicherweise in Neutronensternen. Berechnungen deuten darauf hin, dass Neutronensternkerne möglicherweise Dichten erreichen könnten, die ausreichen, um die Grenzen zwischen einzelnen Nukleonen aufzulösen, wodurch Bedingungen entstünden, in denen Quarks frei umherwandern – eine kalte, dichte Form von Quarkmaterie, die sich vom heißen Plasma des frühen Universums unterscheidet, aber von denselben fundamentalen Physikgesetzen regiert wird. Dies zu bestätigen würde eine der bedeutendsten Entdeckungen in der Astrophysik und Kernphysik der modernen Ära darstellen.

Die bisherigen Belege

Belege für Quarkmaterie in Neutronensternen stammen aus mehreren indirekten Richtungen, von denen keine einzeln schlüssig ist. Die stärksten Einschränkungen stammen aus Gravitationswellen-Beobachtungen von Neutronensternverschmelzungen durch LIGO und Virgo. Wenn zwei Neutronensterne spiralförmig zusammenkommen und verschmelzen, tragen die Gravitationswellen, die sie aussenden, Informationen über die interne Struktur der Sterne – genauer gesagt, wie verformbar sie im Gravitationsfeld des anderen sind, eine Eigenschaft, die Gezeitenverformbarkeit genannt wird. Die gemessenen Gezeitenverformbarkeiten aus dem wegweisenden GW170817-Ereignis beschränkten die Neutronenstern-Zustandsgleichung auf Weise, die einige theoretische Modelle darauf hindeuten, dass sie am natürlichsten durch die Gegenwart von Quarkmaterie in den Sternenkernen erklärt werden.

Röntgenbeobachtungen von Neutronensternmassen und -radien bieten komplementäre Einschränkungen. Das NICER-Instrument auf der Internationalen Raumstation hat die Größen mehrerer Neutronensterne mit ausreichender Präzision gemessen, um ihre interne Struktur einzugrenzen. Kombinierte Masse- und Radiusmessungen können einige theoretische Zustandsgleichungen ausschließen und andere bevorzugen, wodurch die Spanne plausibler interner Zusammensetzungen eingegrenzt wird. Die aktuellen NICER-Daten identifizieren Quarkmaterie nicht eindeutig, sind aber konsistent mit ihrer Gegenwart in den dichtesten bekannten Neutronensternen.

Die Herausforderung besteht darin, dass das Innere eines Neutronensterns für direkte Beobachtung unerreichbar ist, und theoretische Berechnungen des Stoff-Verhaltens bei Neutronenstern-Dichten sind außergewöhnlich schwierig. Quantenchromodynamik – die Theorie, die Quark- und Gluon-Wechselwirkungen regiert – kann mit Gitter-QCD-Methoden bei Dichten in atomaren Kernen und extremen Dichten des Quark-Gluon-Plasmas des frühen Universums rechnerisch gelöst werden, aber Zwischendichten, die Neutronensternkernen entsprechen, bleiben in einem Bereich, wo aktuelle theoretische Methoden unzuverlässig sind. Die Unsicherheit ist nicht ein Versagen der Physik, sondern eine echte Grenze der Berechnung.

Wie Wissenschaftler glauben, es beweisen zu können

Der Weg zur Bestätigung von Quarkmaterie in Neutronensternen führt durch Verbesserungen der Gravitationswellen-Detektorempfindlichkeit, 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 – werden Neutronensternverschmelzungen mit dramatisch verbesserter Empfindlichkeit beobachten, wobei möglicherweise das Nach-Verschmelzungs-Gravitationswellensignal gemessen wird, das aktuelle Detektoren noch nicht erkennen können und das Informationen darüber trägt, was mit Quarkmaterie während des gewaltsamen Kollisions- und Verschmelzungsprozesses geschieht.

Das Nach-Verschmelzungs-Signal ist besonders informativ, da es vom Verhalten der Materie bei Dichten abhängt, die die Dichten der vor der Verschmelzung stehenden Sterne wesentlich übersteigen. Wenn Quarkmaterie vorhanden ist und während der Verschmelzung einen Phasenübergang durchläuft – sich von gewöhnlicher Kernmaterie zu nicht eingeschlossener Quarkmaterie ändert, wenn die Dichte ihren Höhepunkt erreicht – würde der Gravitationswellen-Frequenzgehalt charakteristische Unterschriften dieses Übergangs tragen. Theoretische Vorhersagen darüber, wie diese Unterschriften aussehen, sind ein aktives Forschungsgebiet, und zukünftige Detektoren könnten empfindlich genug sein, um sie zu beobachten.

Laborexperimente tragen auch zum Gesamtbild bei. Schwere-Ionenkollisionen in Einrichtungen wie dem Large Hadron Collider des CERN und dem Relativistic Heavy Ion Collider von Brookhaven erzeugen Quark-Gluon-Plasma in Miniaturform für Bruchteile von Sekunden, wodurch experimentelle Daten über Quarkmaterie-Eigenschaften bei hohen Temperaturen bereitgestellt werden, die Extrapolationen zum Hochdichte-, niedriger-Temperatur-Regime eingrenzen können, das für Neutronenstern-Innenräume relevant ist. Die theoretische Brücke zwischen diesen Regimen ist unvollkommen, aber verbessert sich, während die Kerntheorie fortschreitet.

Was dies für die Physik bedeuten würde

Die Bestätigung von Quarkmaterie in Neutronensternen würde gleichzeitig ein Meilenstein für Kernphysik und Astrophysik sein. Sie würde etablieren, dass eine von der Quantenchromodynamik vorhergesagte Materienphase, die momentan in Labor-Teilchenbeschleunigern erzeugt wird, als stabile Komponente makroskopischer astronomischer Objekte existiert – wodurch die Theorie über eine außergewöhnliche Reihe von Bedingungen validiert und die mikroskopische Physik von Quarks mit der Astrophysik kompakter Objekte verbunden wird.

Die Entdeckung würde auch das Verständnis der Neutronenstern-Zustandsgleichung schärfen – die Beziehung zwischen Druck und Dichte in diesen Objekten – was eines der zentralen offenen Probleme der Kernastrophysik ist. Eine bessere Zustandsgleichung verbessert Modelle des Supernova-Kollaps', der Neutronenstern-Formation, der Gravitationswellen-Emission aus Verschmelzungen und der r-Prozess-Nukleosynthese in Neutronenstern-Verschmelzungen, die für die Erzeugung der meisten Gold-, Platin- und anderen schweren Elemente im Universum verantwortlich ist.

Für Physiker, die an der starken Kernkraft bei extremen Dichten interessiert sind, sind Neutronensterne natürliche Laboratorien, die kein irdisches Experiment reproduzieren kann. Jede neue Beobachtungsbeschränkung ihrer internen Struktur ist ein Fenster in eine Physik, die nicht direkt auf der Erde erzeugt und untersucht werden kann, was das Projekt zur Charakterisierung von Neutronenstern-Innenräumen zu einer der derzeit produktivsten Schnittmengen zwischen Astrophysik und Grundlagenphysik macht.

Dieser Artikel basiert auf Berichten von Space.com. Lesen Sie den Originalartikel.