Multi-messenger and multi-band signal from first-order phase transitions in proto-neutron stars

Tief im Inneren der extremsten Objekte im Universum wird Materie auf Dichten gepresst, die in keinem Labor auf der Erde erzeugt werden können. Diese Objekte sind Neutronensterne, die superdichten Überreste massiver Sterne, die explodiert sind. Jahrzehntelang haben Physiker darüber debattiert, was sich im innersten Zentrum dieser Sterne befindet. Während die äußeren Schichten aus vertrauten Atomkernen bestehen, könnte der Kern so stark komprimiert sein, dass Protonen und Neutronen in eine Suppe aus ihren Bestandteilen, den sogenannten Quarks, zerfallen. Dieser Übergang von gewöhnlicher Kernmaterie zu einem Quarkkern wird als Phasenübergang bezeichnet, ähnlich wie Wasser zu Eis wird, jedoch unter Bedingungen immensen Drucks und der Gravitation stattfindend. Zu verstehen, ob dies geschieht und wie, ist entscheidend, da es die grundlegenden Regeln offenbaren würde, die bestimmen, wie sich Materie verhält, wenn sie an ihre absolute Grenze gepresst wird.

Eine neue Studie von Forschern aus Deutschland und Irland untersucht, was passieren würde, wenn ein solcher Übergang im Inneren eines jungen, heißen Neutronensterns, einem sogenannten Proto-Neutronenstern, stattfände. Diese Sterne entstehen in den gewaltsamen Nachwehen einer Supernova-Explosion und kühlen noch aus, während sie gleichzeitig weiteres Material aus ihrer Umgebung verschlingen. Die Forscher untersuchten ein spezifisches Szenario, in dem sich der Kern des Sterns plötzlich von normaler Materie zu Quarkmaterie wandelt. Sie fanden heraus, dass dieses Ereignis nicht nur eine stille interne Veränderung wäre; es würde ein dramatisches, zweiteiliges Signal auslösen, das von zukünftigen Instrumenten detektierbar sein könnte. Das Ereignis würde Wellen in der Raumzeit aussenden, bekannt als Gravitationswellen, in zwei sehr unterschiedlichen Geschwindigkeiten zur gleichen Zeit, während es gleichzeitig einen Ausbruch von geisterhaften Teilchen namens Neutrinos freisetzt.

Die Forscher erstellten eine massive Sammlung von Computermodellen, um diesen Prozess zu simulieren. Anstatt eine einzige Antwort darauf zu raten, wie sich Materie verhält, erstellten sie tausende mögliche Versionen der internen Struktur des Neutronensterns, die alle mit den bekannten Naturgesetzen und Beobachtungen echter Sterne konsistent waren. Sie beobachteten dann, wie sich diese simulierten Sterne entwickelten, während sie mehr Masse ansammelten. In vielen dieser Modelle drückte das zusätzliche Gewicht den Kern schließlich über einen Kipppunkt, was die plötzliche Umwandlung in Quarkmaterie erzwang. Das Team berechnete exakt, welche Art von Signal diese Umwandlung erzeugen würde. Sie entdeckten, dass das Ereignis zwei verschiedene Arten von Gravitationswellen erzeugt. Das erste ist ein niederfrequentes Grollen im Kilohertz-Bereich, verursacht durch die Anpassung der gesamten Form des Sterns, während der Kern schrumpft und dichter wird. Das zweite ist ein viel hochfrequenterer Ausbruch im Megahertz-Bereich, verursacht durch die mikroskopische Kollision winziger Blasen der neuen Quarkmaterie, während diese sich bilden und durch den Stern expandieren.

Diese beiden Signale sind auf eine Weise miteinander verknüpft, die Wissenschaftlern helfen könnte, die Physik des Übergangs zu entschlüsseln. Die niederfrequente Welle verrät uns etwas über die Gesamtgröße und Struktur des Sterns, während der hochfrequente Ausbruch Details über den mikroskopischen Prozess der Bildung und Kollision der Blasen offenbart. Die Studie zeigt, dass, wenn wir beide Signale von demselben Ereignis detektieren könnten, wir die Information aus der niederfrequenten Welle nutzen könnten, um die Möglichkeiten für die hochfrequente Welle einzugrenzen. Dies würde es uns ermöglichen, Eigenschaften zu messen, die derzeit unmöglich zu bestimmen sind, wie etwa die Oberflächenspannung der Grenze zwischen den beiden Arten von Materie. Die Forscher fanden auch heraus, dass dieses Ereignis von einem zweiten Neutrino-Ausbruch begleitet wird, der einige hundert Millisekunden bis zu zwei Sekunden nach der ursprünglichen Explosion eintrifft. Diese Verzögerung wird durch die Zeit bestimmt, die der Stern benötigt, um genügend Masse anzuhäufen, um den Übergang auszulösen.

Die Ergebnisse legen nahe, dass das Erfassen eines solchen Multi-Messenger-Signals ein bedeutender Durchbruch wäre. Während aktuelle Detektoren für Gravitationswellen empfindlich genug sind, um das niederfrequente Grollen zu hören, sind sie noch nicht in der Lage, den hochfrequenten Megahertz-Ausbruch zu hören. Die Studie weist jedoch darauf hin, dass die nächste Generation von Detektoren, deren Planung derzeit läuft, potenziell beide Signale hören könnte. Wenn ein zukünftiges Observatorium die niederfrequente Welle detektiert und ein spezialisiertes Hochfrequenz-Instrument gleichzeitig den hochfrequenten Ausbruch sowie das verzögerte Neutrinosignal registriert, würde dies ein vollständiges Bild des Phasenübergangs liefern. Dies würde bestätigen, dass Quarkmaterie in den Kernen von Neutronensternen existiert, und uns unseren ersten direkten Blick darauf gewähren, wie sich Materie unter den extremsten Bedingungen des Kosmoss verhält. Die Forschung behauptet nicht, dieses Signal bereits gefunden zu haben, aber sie liefert eine klare Roadmap dafür, wonach man suchen muss und wie man es interpretiert, wenn die Technologie so weit ist.