Zwaartekrachtsgolven vertellen meer over het binnenste van neutronensterren
Onder extreme druk kunnen zelfs neutronen uit elkaar vallen
Wat zich afspeelt in de binnenste lagen van zware sterren zoals neutronensterren is nog altijd een raadsel in de astrofysica. Volgens Fabian Gittins van de Universiteit Utrecht kunnen zwaartekrachtsgolven ons meer informatie geven over de binnenkant van deze extreem dichte objecten. Samen met wetenschappers van de ľϸӰ of Southampton en Los Alamos National Laboratory concludeert hij in een nieuwe studie dat het mogelijk is dat er diep in neutronensterren een nieuwe vorm van materie bestaat en dat we die kunnen opsporen door naar zwaartekrachtsgolven te luisteren. Ze publiceerden hun .
Als je met een theelepel een hapje uit een neutronenster zou kunnen scheppen, zou dat hapje zo’n tien miljard ton wegen. Daarmee behoren neutronensterren tot de dichtste en zwaarste objecten in het heelal. Natuurkundigen vermoeden nu dat er diep in hun binnenste een bijzondere toestand van materie kan ontstaan die we nergens anders in het heelal tegenkomen. Dat materiaal, deconfined quark matter, ontstaat alleen onder de meest extreme omstandigheden.
Wanneer twee neutronensterren om elkaar heen draaien en uiteindelijk botsen, veroorzaken ze rimpelingen in de ruimtetijd: zwaartekrachtsgolven. Sinds 2015 kunnen die worden gemeten met behulp van grote observatoria op aarde zoals LIGO en Virgo.
Specifieke trilling
Gittins en zijn team zien dat neutronensterren van binnen beginnen te trillen vlak voordat ze botsen. In de laatste banen om elkaar heen ontstaat er één specifieke trilling. Deze interface mode ontstaat precies op de grens tussen twee soorten materie: de bekende kernmaterie die uit protonen en neutronen bestaat, en een mogelijke nieuwe fase die zich dieper in de ster bevindt, quarkmaterie. In die toestand vallen zelfs protonen en neutronen uiteen in hun bouwstenen, quarks, die zich vrij bewegen in de kern van de ster.
Die interface mode laat een subtiele afdruk achter in het signaal van de zwaartekrachtsgolven. “We weten nog steeds erg weinig over wat er precies gebeurt in neutronensterren,” zegt Gittins. “Maar zwaartekrachtsgolven zouden ons op een dag kunnen helpen het verschil te zien tussen ‘normale’ kernmaterie en quarkmaterie, wat we nog nooit direct hebben waargenomen.”
Virtuele sterren
De studie beschrijft geen directe waarneming, maar een theoretisch model. De onderzoekers bouwden computermodellen die nabootsen wat er diep in neutronensterren kan gebeuren. In deze virtuele sterren voegden ze mogelijke zones met deconfined quark matter toe, waarbij ze de grootte en eigenschappen van die zones steeds veranderden om te zien hoe de ster daarop zou reageren.
Zwaartekrachtsgolven kunnen ons helpen het verschil te zien tussen kernmaterie en quarkmaterie, wat we nog nooit direct hebben waargenomen
Vervolgens berekenden ze hoe zulke verborgen lagen de ster zouden laten trillen en hoe die trillingen zich zouden vertalen in zwaartekrachtsgolven. Ten slotte vergeleken ze de voorspelde signalen met de gevoeligheid van huidige en toekomstige detectoren. De onderzoekers concludeerden dat het effect sterk genoeg zou moeten zijn om waar te nemen. De studie levert daarmee geen definitief bewijs, maar wel een concreet aanknopingspunt voor waar en hoe onderzoekers in de toekomst naar quarkmaterie kunnen zoeken.
Schatten en afleiden
Tot voor kort konden wetenschappers het binnenste van neutronensterren alleen indirect bestuderen. Bijvoorbeeld door de radiopulsen te meten die ze uitzenden, of door te kijken hoe snel twee sterren om elkaar heen draaien. “Daarmee kun je schatten hoe zwaar en groot ze zijn,” legt Gittins uit, “en uit die getallen kun je de dichtheid afleiden. Maar dat vertelt ons nog weinig over waaruit de materie werkelijk bestaat.”
Zwaartekrachtsgolven geven daarentegen directe informatie over hoe vervormbaar de sterren zijn. “Dat hangt af van hoe ‘stijf’ of hoe ‘zacht’ hun materie is. Die eigenschap laat een afdruk achter in het zwaartekrachtsgolfsignaal. Met de juiste data kunnen we zo meer te weten komen over de binnenste structuur van deze sterren.”
Einsteintelescoop
Het onderzoek staat nog in de kinderschoenen. Tot nu toe zijn slechts twee botsingen van neutronensterren waargenomen en geanalyseerd. Maar toekomstige observatoria, zoals de Einstein Telescope zullen veel gevoeliger zijn. Daarmee wordt het mogelijk zelfs de subtielste signalen van de trillingen diep in neutronensterren op te pikken.
Publicatie
, , F., , N. and , Physical Review Letters volume 135, issue 8.