Hybrid Stars with Different Amount of Quark Matter

Tief im Kosmos, weit jenseits der Reichweite jedes Teleskops oder Raumfahrzeugs, liegen die extremsten Laboratorien des Universums: Neutronensterne. Dies sind die kollabierten Kerne massereicher Sterne, die gestorben sind und so stark zusammengedrückt wurden, dass ein einziger Teelöffel ihres Materials so viel wiegen würde wie ein Berg. Im Inneren dieser stellaren Überreste ist die Materie so dicht gepresst, dass sie den Regeln trotzt, die wir im Alltag beobachten. Ganz im Zentrum, wo der Druck unvorstellbar ist, könnten sich selbst die Atome selbst auflösen. Die Protonen und Neutronen, die normalerweise die Materie zusammenhalten, könnten sich in eine Suppe aus ihren kleineren Bausteinen, den sogenannten Quarks, auflösen. Dieser hypothetische Zustand der Materie, in dem Quarks frei umherwandern, anstatt in Teilchen gefangen zu sein, wird Quarkmaterie genannt. Falls sie existiert, würde sie einen Hybridstern bilden – ein kosmisches Objekt mit einem Kern aus exotischer Quarkmaterie, der von einer Schale aus normaler Kernmaterie umgeben ist. Zu verstehen, ob diese Sterne existieren und wie sie aussehen, ist eine der großen Herausforderungen der modernen Astrophysik, da es enthüllen würde, wie sich die Natur unter den intensivsten möglichen Bedingungen verhält.

Jahrelang haben Wissenschaftler versucht, die interne Struktur dieser Sterne zu rekonstruieren, indem sie theoretische Modelle mit realen Beobachtungen kombinierten. Sie verfügen über Daten von Teleskopen, die beobachten, wie Röntgenstrahlen von den Oberflächen von Neutronensternen abprallen, und sie haben Daten von Gravitationswellendetektoren, die den Rippen in der Raumzeit lauschen, die durch die Kollision zweier Neutronensterne verursacht werden. In einer kürzlich erschienenen Studie hat ein Team von Forschern der Universität Coimbra in Portugal dieses Rätsel erneut aufgegriffen. Sie hatten zuvor einen Satz von Modellen erstellt, die nahelegten, dass die schwersten Neutronensterne große Kerne aus dieser exotischen Quarkmaterie enthalten müssen. Ihre neue Arbeit stellte jedoch eine andere Frage: Was, wenn die Quarkkerne viel kleiner sind oder sogar kaum vorhanden sind? Indem sie die strikte Anforderung lockerten, dass die Kerne riesig sein müssen, erzeugten sie einen neuen Satz von Möglichkeiten, der viel besser mit den neuesten astronomischen Messungen übereinstimmt.

Die Forscher nutzten eine leistungsstarke statistische Methode, um tausende möglicher Szenarien zu sichten. Sie begannen mit zwei Hauptzutaten für ihre Modelle: einer Beschreibung der normalen Materie, die in den äußeren Schichten des Sterns zu finden ist, und einer Beschreibung der potenziellen Quarkmaterie im Zentrum. Dann testeten sie diese Modelle anhand einer strengen Checkliste realer Daten. Diese Checkliste beinhaltete die bekannten Eigenschaften der Kernmaterie, die präzisen Massen und Größen mehrerer spezifischer, durch das NICER-Röntgenteleskop beobachteter Neutronensterne sowie die Details der Kollision zwischen zwei Neutronensternen, die von den LIGO- und Virgo-Observatorien registriert wurde. In ihrer vorherigen Arbeit hatten sie die Modelle dazu gezwungen, Sterne mit massiven Quarkkernen zu erzeugen, was den Übergang von normaler Materie zu Quarkmaterie bei relativ geringen Dichten geschehen ließ. In dieser neuen Studie ließen sie diese spezifische Einschränkung weg. Sie verlangten zwar weiterhin, dass die schwersten Sterne etwas Quarkmaterie in ihrem Inneren besitzen, aber sie erlaubten der Größe dieses Kerns, alles von winzig bis groß zu sein, und überließen es den Daten zu entscheiden, was am wahrscheinlichsten ist.

Die Ergebnisse dieses neuen Ansatzes waren bemerkenswert. Die Modelle, die kleinere Quarkkerne zuließen, welche das Team als „SmallQ“-Set bezeichnete, erzeugten Neutronensterne, die etwas kleiner im Radius und weniger deformierbar waren als jene in ihren vorherigen Modellen. Dies machte die neuen Modelle zu einer viel besseren Anpassung an die tatsächlichen Beobachtungen des NICER-Teleskops und die Gravitationswellendaten. In den vorherigen Modellen mit großen Kernen fand der Übergang zu Quarkmaterie bei einer Dichte statt, die etwa zwei- bis zweieinhalbmal so hoch ist wie die Dichte normaler Atomkerne. In den neuen, erfolgreicheren Modellen wurde dieser Übergang viel tiefer in den Stern hinein verschoben und ereignete sich bei Dichten zwischen dem Drei- und Viereinhalbfachen der normalen Kerndichte. Diese Verzögerung des Übergangs bedeutet, dass die Schale aus normaler Materie des Sterns dicker ist und der exotische Kern kleiner oder in einigen Fällen selbst in den schwersten Sternen fast nicht existent ist.

Dieser Wechsel im Timing des Phasenübergangs änderte auch die interne Zusammensetzung der Sterne. In den Modellen mit großen Kernen wurde die Quarkmaterie von Up- und Down-Quarks dominiert. In den neuen Modellen mit kleineren Kernen wurden die Strange-Quarks – eine schwerere Art von Quark – wesentlich häufiger und machten einen größeren Anteil an der Zusammensetzung des Kerns aus. Interessanterweise legen die neuen Modelle nahe, dass einige der schwersten Neutronensterne, jene, die doppelt so viel wie unsere Sonne wiegen, sehr wenig oder gar keine Quarkmaterie enthalten könnten. Dies stellt die Vorstellung infrage, dass die schwersten Sterne zwangsläufig von exotischer Materie dominiert werden müssen. Stattdessen deutet es darauf hin, dass der Übergang zu Quarkmaterie ein seltenes Ereignis ist, das nur unter extremem Druck stattfindet, oder vielleicht in einigen der schwersten beobachteten Sterne gar nicht stattfindet.

Die Studie untersuchte auch, wie sich die Größe eines Neutronensterns ändert, wenn seine Masse zunimmt. Für Sterne, die nur aus normaler Materie bestehen, tendiert der Radius dazu, kleiner zu werden, wenn der Stern schwerer wird. Für Sterne mit exotischer Materie kann die Beziehung komplexer sein. Die Forscher fanden heraus, dass in ihrem neuen Satz von Modellen eine signifikante Anzahl von Sternen immer noch eine positive Steigung in ihrer Masse-Radius-Beziehung bei niedrigeren Massen zeigte, was bedeutete, dass sie bei Gewichtszunahme etwas größer wurden. Jedoch kehrten die meisten dieser Modelle bei einer Masse von 1,8 Sonnenmassen zum erwarteten Verhalten des Schrumpfens zurück. Dies ist ein entscheidender Unterschied, da in ihren vorherigen Modellen mit großen Kernen eine positive Steigung selbst bei diesen hohen Massen üblich war. Die Tatsache, dass die neuen Modelle bei hohen Massen meist das Standardverhalten des Schrumpfens zeigen und gleichzeitig die Beobachtungsdaten gut erklären, deutet darauf hin, dass die Anwesenheit eines großen Quarkkerns nicht erforderlich ist, um die Sterne zu erklären, die wir sehen.

Letztendlich verfeinert diese Arbeit unser Verständnis der dichtesten Materie im Universum. Indem sie den Umfang des Quarkkerns frei variieren ließen, anstatt ihn groß zu erzwingen, fanden die Forscher einen Satz von Modellen, die konsistenter mit dem Universum sind, wie wir es beobachten. Diese Modelle legen nahe, dass, falls Quarkmaterie in den Herzen von Neutronensternen existiert, sie wahrscheinlich auf eine kleine Region im innersten Zentrum beschränkt ist und nur erscheint, wenn die Dichte extreme Ausmaße erreicht. Die Ergebnisse schließen die Existenz von Quarkmaterie nicht aus, aber sie deuten darauf hin, dass der Übergang zu diesem exotischen Zustand schwieriger zu erreichen ist als bisher angenommen. Während Astronomen weiterhin präzisere Daten über die Größen und Massen von Neutronensternen sammeln, werden diese verfeinerten Modelle als kritischer Leitfaden dienen, um zu bestimmen, ob die Kerne dieser kosmischen Giganten aus den seltsamen, frei umherwandernden Quarks bestehen, die lange theoretisiert wurden, oder ob sie vollständig aus der vertrauten Materie bestehen, aus der auch unsere eigene Welt gemacht ist.