Nieuwe theoretische analyse laat zien dat de waarschijnlijkheid dat massieve neutronensterren een kern van quarkmaterie verbergen tussen de 80% en 90% ligt. De resultaten werden verkregen via grootschalige supercomputerruns met behulp van Bayesiaanse statistische inferentiemethoden. De kern van een neutronenster bevat de hoogste materiedichtheid in het huidige heelal, waarbij tot wel twee zonsmassa's worden samengedrukt tot een bol met een diameter van 25 kilometer. Deze objecten kunnen inderdaad worden gezien als gigantische atoomkernen, waarbij de zwaartekracht hun kernen samendrukt tot dichtheden die vele malen groter zijn dan die van individuele protonen en neutronen.
Deze dichtheden maken neutronensterren interessante astrofysische objecten vanuit het perspectief van de deeltjesfysica en de kernfysica. Een al lang bestaande vraag is of de enorme centrale druk van een neutronenster protonen en neutronen kan samenpersen tot een nieuwe substantie die koude quarkmaterie wordt genoemd. In deze bizarre toestand van de materie bestaan er geen individuele protonen en neutronen meer.
‘De samenstellende quarks en gluonen zijn bevrijd van hun typische kleurbeperkingen en kunnen vrijwel vrij bewegen’, legt Aleksi Vuorinen, hoogleraar theoretische deeltjesfysica aan de Universiteit van Helsinki, uit.
In een nieuw artikel dat zojuist in het tijdschrift Nature Communications is gepubliceerd, heeft een onderzoeksteam van de Universiteit van Helsinki de eerste kwantitatieve schatting gemaakt van de mogelijkheid dat een kern van quarkmaterie in een massieve neutronenster verschijnt. Uit hun onderzoek blijkt dat, op basis van de huidige astrofysische waarnemingen, quarkmaterie vrijwel onvermijdelijk is in de zwaarste neutronensterren: kwantitatieve schattingen van het team schatten deze mogelijkheid op 80% tot 90%.
De resterende waarschijnlijkheid dat alle neutronensterren uitsluitend uit nucleaire materie bestaan is klein, wat vereist dat de verandering van nucleaire materie naar quarkmaterie een sterke faseovergang van de eerste orde is, enigszins vergelijkbaar met het proces waarbij vloeibaar water in ijs verandert. Dergelijke snelle veranderingen in de eigenschappen van de materie van de neutronenster hebben het potentieel om de neutronenster te destabiliseren tot het punt waarop de vorming van zelfs maar een minuscule kern van quarkmaterie ervoor zou zorgen dat de neutronenster in een zwart gat zou instorten.
Een internationale samenwerking tussen wetenschappers uit Finland, Noorwegen, Duitsland en de Verenigde Staten suggereert verder dat het bestaan van een kern van quarkmaterie op een dag volledig kan worden bevestigd of uitgesloten. De sleutel is om de sterkte van de faseovergang tussen nucleaire materie en quarkmaterie te kunnen beheersen, wat naar verwachting mogelijk zal zijn zodra het zwaartekrachtgolfsignaal dat wordt geproduceerd door het laatste deel van de fusie van binaire neutronensterren ooit wordt geregistreerd.
Gebruikmaken van observatiegegevens voor grootschalige supercomputeroperaties
Een sleutelfactor bij het komen tot de nieuwe resultaten was een reeks grootschalige supercomputerberekeningen met behulp van Bayesiaanse inferentie, een tak van statistische gevolgtrekking die de waarschijnlijkheid van verschillende modelparameters afleidt door directe vergelijking met waargenomen gegevens. Dankzij het Bayesiaanse gevolgtrekkingsgedeelte van het onderzoek konden de onderzoekers nieuwe grenzen afleiden aan de materiaaleigenschappen van neutronensterren, wat aantoont dat ze zogenaamd conform gedrag benaderen nabij de kernen van maximaal stabiele neutronensterren.
Dr. Joonas Nättilä, een van de hoofdauteurs van het artikel, is van mening dat dit werk interdisciplinair is en expertise vereist op het gebied van astrofysica, deeltjesfysica, kernfysica en informatica. In mei 2024 gaat hij aan de slag als universitair hoofddocent aan de Universiteit van Helsinki.
‘Het is fascinerend dat elke nieuwe waarneming van een neutronenster ons in staat stelt de eigenschappen van het materiaal van de neutronenster met toenemende nauwkeurigheid af te leiden.’
Aan de andere kant benadrukte Joonas Hirvonen, een promovendus die onder supervisie van Neytilai en Wurinen werkte, het belang van high-performance computing:
"We hebben miljoenen uren CPU-tijd van supercomputers moeten gebruiken om onze theoretische voorspellingen te vergelijken met waarnemingen en de mogelijkheid van een kern van quarkmaterie te bepalen. We zijn het Finse Supercomputercentrum CSC erg dankbaar voor het verstrekken van alle middelen die we nodig hebben!"
Referentie: "Sterk op elkaar inwerkende materie vertoont deconfinerend gedrag in massieve neutronensterren", auteur: Eemeli Annala, Tyler Gorda, Joonas Hirvonen, Oleg Komoltsev, Aleksi Kurkela, Joonas Nättilä en Aleksi Vuorinen, 19 december 2023, "Natuur - Communicatie".
DOI:10.1038/s41467-023-44051-y
Samengestelde bron: ScitechDaily