Ein internationales Forschungsteam hat zum ersten Mal Daten aus Schwerionenexperimenten, Gravitationswellenmessungen und anderen astronomischen Beobachtungen mithilfe fortschrittlicher theoretischer Modellierung kombiniert, um die Eigenschaften von Kernmaterie, wie sie im Inneren von Neutronensternen zu finden ist, genauer einzuschränken. Die Ergebnisse wurden in der Zeitschrift veröffentlicht Natur.
Im gesamten Universum werden Neutronensterne in Supernova-Explosionen geboren, die das Ende des Lebens massereicher Sterne markieren. Manchmal sind Neutronensterne in Doppelsystemen gebunden und werden schließlich miteinander kollidieren. Diese hochenergetischen, astrophysikalischen Phänomene weisen solch extreme Bedingungen auf, dass sie die meisten schweren Elemente wie Silber und Gold produzieren. Folglich sind Neutronensterne und ihre Kollisionen einzigartige Laboratorien, um die Eigenschaften von Materie bei Dichten zu untersuchen, die weit über die Dichten innerhalb von Atomkernen hinausgehen. Schwerionenkollisionsexperimente, die mit Teilchenbeschleunigern durchgeführt werden, sind eine ergänzende Möglichkeit, Materie mit hoher Dichte und unter extremen Bedingungen zu produzieren und zu untersuchen.
Neue Einblicke in die fundamentalen Wechselwirkungen, die in Kernmaterie eine Rolle spielen
„Die Kombination von Wissen aus Kerntheorie, Kernexperiment und astrophysikalischen Beobachtungen ist unerlässlich, um die Eigenschaften neutronenreicher Materie über den gesamten in Neutronensternen untersuchten Dichtebereich aufzuklären“, sagt Sabrina Huth, Institut für Kernphysik der Technischen Universität Darmstadt. der einer der Hauptautoren der Publikation ist. Peter TH Pang, ein weiterer Hauptautor vom Institut für Gravitations- und Subatomarphysik (GRASP) der Universität Utrecht, fügte hinzu: „Wir stellen fest, dass Einschränkungen durch Kollisionen von Goldionen mit Teilchenbeschleunigern eine bemerkenswerte Übereinstimmung mit astrophysikalischen Beobachtungen aufweisen, obwohl sie mit erhalten wurden ganz andere Methoden.“
Die jüngsten Fortschritte in der Multi-Messenger-Astronomie ermöglichten es dem internationalen Forschungsteam, an dem Forscher aus Deutschland, den Niederlanden, den USA und Schweden beteiligt waren, neue Einblicke in die grundlegenden Wechselwirkungen zu gewinnen, die in Kernmaterie eine Rolle spielen. In einer interdisziplinären Anstrengung integrierten die Forscher Informationen, die bei Schwerionenkollisionen gewonnen wurden, in einen Rahmen, der astronomische Beobachtungen elektromagnetischer Signale, Messungen von Gravitationswellen und hochleistungsfähige astrophysikalische Berechnungen mit theoretischen kernphysikalischen Berechnungen kombiniert. Ihre systematische Untersuchung vereint erstmals all diese Einzeldisziplinen und weist auf einen höheren Druck bei mittleren Dichten in Neutronensternen hin.
Daten von Schwerionenkollisionen enthalten
Die Autoren haben die Informationen aus Goldionen-Kollisionsexperimenten, die am GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt sowie am Brookhaven National Laboratory und am Lawrence Berkeley National Laboratory in den USA durchgeführt wurden, in ihr mehrstufiges Verfahren einbezogen, das Einschränkungen aus der Kerntheorie und astrophysikalischen Beobachtungen analysiert. Dazu gehören Massenmessungen von Neutronensternen durch Radiobeobachtungen, Informationen von der Mission Neutron Star Interior Composition Explorer (NICER) auf der Internationalen Raumstation (ISS) und Multi-Messenger-Beobachtungen von Neutronensternverschmelzungen.
Die Nukleartheoretiker Sabrina Huth und Achim Schwenk von der Technischen Universität Darmstadt und Ingo Tews vom Los Alamos National Laboratory waren der Schlüssel, um die bei Schwerionenkollisionen gewonnenen Informationen auf Neutronensternmaterie zu übertragen, die zur Berücksichtigung der astrophysikalischen Einschränkungen benötigt wird.
Das Einbeziehen von Daten von Schwerionenkollisionen in die Analysen hat zusätzliche Einschränkungen im Dichtebereich ermöglicht, in dem Kerntheorie und astrophysikalische Beobachtungen weniger empfindlich sind. Dies hat zu einem umfassenderen Verständnis dichter Materie beigetragen. In Zukunft können verbesserte Einschränkungen durch Schwerionenkollisionen eine wichtige Rolle spielen, um Kerntheorie und astrophysikalische Beobachtungen zu überbrücken, indem sie ergänzende Informationen liefern. Dies gilt insbesondere für Experimente, die höhere Dichten untersuchen, und die Verringerung der experimentellen Unsicherheiten hat ein großes Potenzial, neue Einschränkungen für die Eigenschaften von Neutronensternen zu schaffen. Neue Informationen auf beiden Seiten können leicht in den Rahmen aufgenommen werden, um das Verständnis dichter Materie in den kommenden Jahren weiter zu verbessern.
Sabrina Huth et al, Einschränkung der Neutronensternmaterie durch mikroskopische und makroskopische Kollisionen, Natur (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-04750-w