Neue theoretische Analysen zeigen, dass die Wahrscheinlichkeit, dass massereiche Neutronensterne einen Kern aus Quarkmaterie verbergen, zwischen 80 % und 90 % liegt. Die Ergebnisse wurden durch groß angelegte Supercomputerläufe unter Verwendung statistischer Bayes'scher Inferenzmethoden erzielt. Der Kern eines Neutronensterns enthält die höchste Materiedichte im heutigen Universum und komprimiert bis zu zwei Sonnenmassen zu einer Kugel mit einem Durchmesser von 25 Kilometern. Man kann sich diese Objekte tatsächlich als riesige Atomkerne vorstellen, deren Kerne durch die Schwerkraft auf eine um ein Vielfaches höhere Dichte als einzelne Protonen und Neutronen komprimiert werden.
Diese Dichten machen Neutronensterne aus Sicht der Teilchen- und Kernphysik zu interessanten astrophysikalischen Objekten. Eine seit langem bestehende Frage ist, ob der massive Zentraldruck eines Neutronensterns Protonen und Neutronen zu einer neuen Substanz namens kalter Quarkmaterie komprimieren kann. In diesem bizarren Zustand der Materie existieren einzelne Protonen und Neutronen nicht mehr.
„Ihre Quarks und Gluonen sind von ihren typischen Farbbeschränkungen befreit und können sich nahezu frei bewegen“, erklärt Aleksi Vuorinen, Professorin für theoretische Teilchenphysik an der Universität Helsinki.
In einem neuen Artikel, der gerade in der Zeitschrift Nature Communications veröffentlicht wurde, hat ein Forscherteam der Universität Helsinki die erste quantitative Schätzung der Möglichkeit vorgenommen, dass ein Kern aus Quark-Materie im Inneren eines massereichen Neutronensterns auftritt. Ihre Studie zeigt, dass, basierend auf aktuellen astrophysikalischen Beobachtungen, Quark-Materie in den massereichsten Neutronensternen fast unvermeidlich ist: Quantitative Schätzungen des Teams gehen davon aus, dass diese Möglichkeit zwischen 80 und 90 % liegt.
Die verbleibende Wahrscheinlichkeit, dass alle Neutronensterne nur aus Kernmaterie bestehen, ist gering, was erfordert, dass der Übergang von Kernmaterie zu Quarkmaterie ein starker Phasenübergang erster Ordnung ist, ähnlich dem Prozess, bei dem sich flüssiges Wasser in Eis verwandelt. Solche schnellen Veränderungen in den Eigenschaften der Materie des Neutronensterns können den Neutronenstern so weit destabilisieren, dass die Bildung selbst eines winzigen Kerns aus Quarkmaterie dazu führen würde, dass der Neutronenstern in ein Schwarzes Loch kollabiert.
Eine internationale Zusammenarbeit zwischen Wissenschaftlern aus Finnland, Norwegen, Deutschland und den Vereinigten Staaten legt außerdem nahe, dass die Existenz eines Kerns aus Quark-Materie eines Tages vollständig bestätigt oder ausgeschlossen werden könnte. Der Schlüssel liegt darin, die Stärke des Phasenübergangs zwischen Kernmaterie und Quarkmaterie steuern zu können, was voraussichtlich möglich sein wird, sobald eines Tages das Gravitationswellensignal aufgezeichnet wird, das durch den letzten Teil der Verschmelzung binärer Neutronensterne erzeugt wird.
Nutzung von Beobachtungsdaten für den Betrieb von Supercomputern im großen Maßstab
Ein Schlüsselfaktor bei der Erlangung der neuen Ergebnisse war eine Reihe groß angelegter Supercomputerberechnungen unter Verwendung der Bayes'schen Inferenz, einem Zweig der statistischen Inferenz, der durch direkten Vergleich mit beobachteten Daten auf die Wahrscheinlichkeit verschiedener Modellparameter schließt. Der Bayes'sche Schlussfolgerungsteil der Studie ermöglichte es den Forschern, neue Grenzen für die Materialeigenschaften von Neutronensternen abzuleiten und zu zeigen, dass sie sich in der Nähe der Kerne maximal stabiler Neutronensterne einem sogenannten konformen Verhalten annähern.
Dr. Joonas Nättilä, einer der Hauptautoren des Papiers, glaubt, dass es sich bei dieser Arbeit um eine interdisziplinäre Arbeit handelt, die Fachwissen in Astrophysik, Teilchenphysik, Kernphysik und Informatik erfordert. Im Mai 2024 wird er seine Tätigkeit als außerordentlicher Professor an der Universität Helsinki aufnehmen.
„Es ist faszinierend, dass wir mit jeder neuen Neutronensternbeobachtung immer präziser auf die Eigenschaften des Materials des Neutronensterns schließen können.“
Andererseits betonte Joonas Hirvonen, ein Doktorand unter der Leitung von Neytilai und Wurinen, die Bedeutung des Hochleistungsrechnens:
„Wir mussten Millionen Stunden Supercomputer-CPU-Zeit aufwenden, um unsere theoretischen Vorhersagen mit Beobachtungen zu vergleichen und die Möglichkeit eines Quark-Materie-Kerns zu bestimmen. Wir sind dem finnischen Supercomputerzentrum CSC sehr dankbar, dass es uns alle Ressourcen zur Verfügung gestellt hat, die wir brauchen!“
Referenz: „Stark wechselwirkende Materie zeigt dekonfinierendes Verhalten in massiven Neutronensternen“, Autor: Eemeli Annala, Tyler Gorda, Joonas Hirvonen, Oleg Komoltsev, Aleksi Kurkela, Joonas Nättilä und Aleksi Vuorinen, 19. Dezember 2023, „Natur – Kommunikation“.
DOI:10.1038/s41467-023-44051-y
Zusammengestellte Quelle: ScitechDaily