Neutron Star vs Quark Star in the Multimessenger Era

Tief im Herzen des Universums, wo die Gravitation Materie zu Dichten zerquetscht, die auf der Erde unmöglich zu reproduzieren sind, liegen die extremsten Objekte, die der Wissenschaft bekannt sind: kompakte Sterne. Dies sind die Überreste massereicher Sterne, die unter ihrem eigenen Gewicht kollabiert sind und mehr Masse als unsere Sonne in eine Kugel von nur wenigen Dutzend Kilometern Durchmesser packen. Jahrzehntelang haben Astronomen darüber debattiert, woraus diese Objekte bestehen. Die Standardansicht besagt, dass es sich um Neutronensterne handelt – kosmische Klumpen, bei denen Protonen und Elektronen zusammengedrückt wurden, um Neutronen zu bilden, wodurch eine Flüssigkeit entstand, die so dicht ist, dass ein einziger Teelöffel davon eine Milliarde Tonnen wiegen würde. Eine konkurrierende Idee legt jedoch nahe, dass unter solchem extremen Druck selbst Neutronen in ihre fundamentalen Bausteine – Quarks – zerfallen könnten, was einen Stern erschafft, der vollständig aus einer seltsamen, frei fließenden Quark-Suppe besteht. Die Frage, ob diese Sterne aus Neutronen oder Quarks bestehen, ist nicht nur eine Frage der Klassifizierung; sie berührt die eigentlichen physikalischen Gesetze, die bestimmen, wie sich Materie unter extremsten Bedingungen verhält.

Eine neue Studie von Forschern der Shanghai Jiao Tong University bringt eine frische Perspektive in dieses uralte Rätsel, indem sie das Universum als ein riesiges Labor betrachtet. Anstatt davon auszugeen, dass alle diese kollabierten Sterne identisch sind, nutzte das Team eine leistungsstarke statistische Methode, um Daten aus multiplen Quellen zu analysieren, einschließlich Gravitationswellen von kollidierenden Sternen und präziser Messungen von Pulsaren durch die Röntgen-Teleskope der NASA. Sie stellten eine einfache, aber tiefgründige Frage: Wenn wir uns die gesamte Familie der beobachteten kompakten Sterne ansehen, gehören sie alle zu einer Spezies oder existieren zwei unterschiedliche Typen nebeneinander? Durch den Vergleich der beobachteten Daten mit den Vorhersagen von drei verschiedenen Szenarien – eines, in dem jeder Stern ein Neutronenstern ist, eines, in dem jeder Stern ein Quarkstern ist, und eines, in dem beide Typen gemeinsam existieren – fanden die Forscher heraus, dass das Universum wahrscheinlich vielfältiger ist als bisher angenommen.

Die Forscher stützten sich nicht auf eine einzige Theorie darüber, wie Materie im Inneren dieser Sterne reagiert. Stattdessen bauten sie ein flexibles, datengesteuertes Modell auf, das sich anpassen konnte, was immer die Beobachtungen suggerierten, wodurch den Daten ermöglicht wurde, für sich selbst zu sprechen. Sie speisten dieses Modell mit Informationen aus sechs spezifischen Himmelsobjekten: vier Pulsaren, deren Größe und Masse mit hoher Präzision gemessen wurden, und den zwei Sternen, die an dem berühmten Gravitationswellen-Ereignis GW170817 beteiligt waren, welches Hinweise darauf lieferte, wie leicht diese Sterne zusammengedrückt werden können. Sie schlossen auch theoretische Grenzwerte ein, wie sich Materie bei unglaublich hohen Dichten verhält, die aus unserem besten Verständnis der Teilchenphysik abgeleitet wurden. Das Team testete dann jede mögliche Kombination dieser sechs Sterne und fragte, ob jeder einzelne ein Neutronenstern oder ein Quarkstern war, um zu sehen, welche Gesamtanordnung am besten zu den Daten passte.

Die Ergebnisse deuteten stark auf ein „Zwei-Familien-Szenario“ hin. Im wahrscheinlichsten Fall enthält das Universum zwei unterschiedliche Zweige kompakter Sterne. Die schwereren, massereicheren Sterne gehören zu einer Familie, während die leichteren zu einer anderen gehören. Konkret legt die Studie nahe, dass der am schwersten beobachtete Pulsar, bekannt als PSR J0740+6620, wahrscheinlich ein seltsamer Quarkstern ist – ein gebundenes Objekt, das vollständig aus dekonfinierten Quarks besteht. Im Gegensatz dazu lassen sich die anderen fünf Sterne in der Stichprobe, einschließlich der zwei, die kollidierten, um die Gravitationswellen zu erzeugen, am besten als traditionelle Neutronensterne beschreiben. Dieser Befund ist signifikant, da er eine langjährige Spannung in der Astrophysik löst. Neutronensterne haben eine erwartete maximale Größenbeschränkung; wenn sie zu schwer werden, sollten sie zu Schwarzen Löchern kollabieren. Dennoch beobachten wir Pulsare, die fast doppelt so schwer wie die Sonne sind. Wenn alle Sterne Neutronensterne wären, müsste ihre interne Struktur unglaublich steif sein, um ein solches Gewicht zu tragen, aber diese Steifigkeit würde sie zu groß machen, um die Größenmessungen kleinerer Sterne zu erfüllen. Indem die Studie den schweren Stern als eine völlig andere Art von Objekt zulässt, bietet sie eine natürliche Lösung: Der schwere Stern ist ein Quarkstern, der viel massereicher und kompakter sein kann, während die leichteren Sterne Neutronensterne mit einer weicheren, flexibleren Struktur bleiben.

Die Studie enthüllte auch, wie die Schallgeschwindigkeit durch die Materie im Inneren dieser Sterne reist, eine Eigenschaft, die angibt, wie steif oder weich das Material ist. In dem Szenario, in dem alle Sterne Neutronensterne sind, zeigt die Schallgeschwindigkeit bei bestimmten Dichten einen unerwarteten, scharfen Peak, ein Merkmal, das Physiker seit Jahren rätseln lässt. In dem bevorzugten Zwei-Familien-Szenario verschwindet dieser Peak jedoch. Stattdessen steigt die Schallgeschwindigkeit stetig an und ebnet sich dann ab – ein glatteres Verhalten, das besser mit den theoretischen Erwartungen übereinstimmt, wie Materie unter solchem erdrückendem Druck agieren sollte. Dies deutet darauf hin, dass die interne Struktur eines Neutronensterns sich grundlegend von der eines Quarksterns unterscheidet und dass das Universum nicht alle kompakten Sterne in dieselbe Form presst.

Obwohl die Beweise noch nicht absolut sind, spricht das statistische Gewicht der Daten für diese gemischte Population. Die Forscher berechneten, dass das Zwei-Familien-Szenario etwa sechsmal wahrscheinlicher ist als das Szenario, in dem alle Sterne Up-Down-Quarksterne sind, und signifikant wahrscheinlicher als das Szenario, in dem alle Sterne Neutronensterne sind. Dieses Vertrauensniveau wird als „moderate Evidenz“ beschrieben, was bedeutet, dass die Daten stark in diese Richtung deuten, aber Raum für zukünftige Beobachtungen lassen, um das Bild zu verfeinern. Die Klassifizierung des schwersten Sterns als Quarkstern hat zudem tiefgreifende Auswirkungen auf die Natur der Materie selbst. Es stützt die Hypothese, dass seltsame Quark-Materie die stabilste Form von Materie im Universum sein könnte, die potenziell in einem Zustand existiert, der niemals zerfällt. Sollte dies wahr sein, könnte dies bedeuten, dass winzige Fragmente dieser seltsamen Materie, bekannt als Strangelets, aus dem frühen Universum überlebt haben und sogar eine Form von Dunkler Materie darstellen könnten, obwohl dies eine spekulative Möglichkeit bleibt.

Die Studie testete auch, wie empfindlich diese Schlussfolgerungen auf die Art und Weise reagieren, wie Astronomen die Daten von einem spezifischen Pulsar, PSR J0030+0451, interpretieren. Je nach Modell, das zur Analyse der Hotspots auf der Oberfläche dieses Sterns verwendet wurde, könnte sich die Klassifizierung dieses speziellen Sterns zwischen einem Neutronenstern oder einem Quarkstern verschieben. Die Identifizierung des schwersten Sterns, PSR J0740+6620, als Quarkstern blieb jedoch über alle getesteten Modelle hinweg robust. Diese Stabilität deutet darauf hin, dass die Unterscheidung zwischen den beiden Familien ein reales Merkmal des Kosmos ist und nicht bloß ein Artefakt der Messung eines spezifischen Objekts. Während neue Teleskope und Gravitationswellen-Detektoren in Betrieb gehen, werden sie noch schärfere Daten liefern, die potenziell bestätigen werden, ob diese zwei Familien von Sternen tatsächlich nebeneinander existieren und damit eine komplexere und vielfältigere Population stellarer Überreste offenbaren, als wir es uns je vorgestellt haben.