Die Kerne von Neutronensternen enthalten Materie in der höchsten Dichte, die in unserem heutigen Universum erreicht wird, wobei bis zu zwei Sonnenmassen Materie in einer Kugel von 25 km Durchmesser komprimiert sind. Man kann sich diese astrophysikalischen Objekte tatsächlich als riesige Atomkerne vorstellen, deren Kerne durch die Schwerkraft auf eine Dichte komprimiert werden, die die Dichte einzelner Protonen und Neutronen um ein Vielfaches übersteigt.
Diese Dichten machen Neutronensterne aus Sicht der Teilchen- und Kernphysik zu interessanten astrophysikalischen Objekten. Ein seit langem offenes Problem ist, ob der immense Zentraldruck von Neutronensternen Protonen und Neutronen in eine neue Phase der Materie, die sogenannte kalte Quarkmaterie, komprimieren kann. In diesem exotischen Materiezustand existieren keine einzelnen Protonen und Neutronen mehr.
„Ihre Quarks und Gluonen werden stattdessen aus ihrer typischen Farbbegrenzung befreit und können sich nahezu frei bewegen“, erklärt Aleksi Vuorinen, Professorin für theoretische Teilchenphysik an der Universität Helsinki.
Ein starker Phasenübergang kann den Tag trotzdem ruinieren
In einem neuen Artikel veröffentlicht in Naturkommunikation, lieferte ein Team der Universität Helsinki erstmals eine quantitative Schätzung der Wahrscheinlichkeit von Quark-Materie-Kernen in massereichen Neutronensternen. Sie zeigten, dass Quarkmaterie auf der Grundlage aktueller astrophysikalischer Beobachtungen in den massereichsten Neutronensternen fast unvermeidlich ist: Eine quantitative Schätzung, die das Team ermittelte, bezifferte die Wahrscheinlichkeit auf einen Bereich von 80–90 %.
Die verbleibende geringe Wahrscheinlichkeit, dass alle Neutronensterne nur aus Kernmaterie bestehen, erfordert, dass der Übergang von Kern- zu Quarkmaterie ein starker Phasenübergang erster Ordnung ist, der in gewisser Weise dem der Umwandlung von flüssigem Wasser in Eis ähnelt. Eine solche schnelle Änderung der Eigenschaften der Materie eines Neutronensterns kann den Stern so destabilisieren, dass die Bildung selbst eines winzigen Quark-Materie-Kerns dazu führen würde, dass der Stern in ein Schwarzes Loch kollabiert.
Die internationale Zusammenarbeit zwischen Wissenschaftlern aus Finnland, Norwegen, Deutschland und den USA konnte weiter zeigen, wie die Existenz von Quark-Materie-Kernen eines Tages entweder vollständig bestätigt oder ausgeschlossen werden könnte. Der Schlüssel liegt darin, die Stärke des Phasenübergangs zwischen Kern- und Quarkmaterie einzuschränken. Dies wird voraussichtlich möglich sein, sobald eines Tages ein Gravitationswellensignal aus dem letzten Teil einer binären Neutronensternverschmelzung aufgezeichnet wird.
Riesiger Supercomputer läuft mithilfe von Beobachtungsdaten
Ein wichtiger Bestandteil bei der Ableitung der neuen Ergebnisse war eine Reihe umfangreicher Supercomputerberechnungen unter Verwendung der Bayes’schen Inferenz – einem Zweig der statistischen Schlussfolgerung, bei der man durch direkten Vergleich mit Beobachtungsdaten auf die Wahrscheinlichkeiten verschiedener Modellparameter schließt.
Die Bayes’sche Komponente der Studie ermöglichte es den Forschern, neue Grenzen für die Eigenschaften der Materie von Neutronensternen abzuleiten und zu zeigen, dass sie sich dem sogenannten konformen Verhalten in der Nähe der Kerne der massereichsten stabilen Neutronensterne annähern.
Dr. Joonas Nättilä, einer der Hauptautoren des Papiers, beschreibt die Arbeit als eine interdisziplinäre Anstrengung, die Fachwissen aus der Astrophysik, der Teilchen- und Kernphysik sowie der Informatik erforderte. Er wird voraussichtlich im Mai 2024 als außerordentlicher Professor an der Universität Helsinki antreten.
„Es ist faszinierend, konkret zu sehen, wie wir mit jeder neuen Neutronensternbeobachtung immer präziser auf die Eigenschaften der Neutronensternmaterie schließen können.“
Joonas Hirvonen, ein Ph.D. Student, der unter der Leitung von Nättilä und Vuorinen arbeitet, betont hingegen die Bedeutung des Hochleistungsrechnens:
„Wir mussten Millionen von CPU-Stunden Supercomputerzeit aufwenden, um unsere theoretischen Vorhersagen mit Beobachtungen vergleichen zu können und die Wahrscheinlichkeit von Quark-Materie-Kernen einzuschränken. Wir sind dem finnischen Supercomputerzentrum CSC äußerst dankbar, dass es uns alle Ressourcen zur Verfügung gestellt hat.“ wir brauchten!“
Mehr Informationen:
Eemeli Annala et al.: Stark wechselwirkende Materie zeigt dekonfiniertes Verhalten in massiven Neutronensternen. Naturkommunikation (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-44051-y