Neutron Star vs Quark Star in the Multimessenger Era

Diep in het hart van het universum, waar zwaartekracht materie verplettert tot dichtheden die onmogelijk op aarde te reproduceren zijn, liggen de meest extreme objecten die de wetenschap kent: compacte sterren. Dit zijn de overblijfselen van massieve sterren die onder hun eigen gewicht zijn ingestort, waarbij meer massa dan onze zon is samengeperst in een bol die slechts enkele tientallen kilometers breed is. Decennialang hebben astronomen gedebatteerd over waar deze objecten uit bestaan. De standaardvisie houdt in dat het neutronensterren zijn, kosmische brokken waar protonen en elektronen samen zijn geperst om neutronen te vormen, wat een vloeistof creëert die zo dicht is dat een enkele theelepel een miljard ton zou wegen. Een concurrerend idee suggereert echter dat onder zulke extreme druk zelfs neutronen uit elkaar kunnen vallen in hun fundamentele bouwstenen — quarks — waardoor een ster ontstaat die volledig bestaat uit een vreemde, vrij stromende soep van quarks. De vraag of deze sterren gemaakt zijn van neutronen of quarks is niet alleen een kwestie van classificatie; het raakt aan de fundamentele natuurwetten die bepalen hoe materie zich gedraagt bij haar meest extreme staat.

Een nieuwe studie door onderzoekers van de Shanghai Jiao Tong Universiteit biedt een fris perspectief op dit eeuwenoude raadsel door het universum te behandelen als een gigantisch laboratorium. In plaats van ervan uit te gaan dat al deze ingestorte sterren hetzelfde zijn, gebruikte het team een krachtige statistische methode om gegevens uit meerdere bronnen te analyseren, waaronder zwaartekrachtgolven van botsende sterren en nauwkeurige metingen van pulsars vanuit de röntgentelescopen van NASA. Ze stelden een eenvoudige maar diepzinnige vraag: als we naar de gehele familie van waargenomen compacte sterren kijken, behoren ze dan allemaal tot één soort, of zijn er twee verschillende soorten die naast elkaar bestaan? Door de geobserveerde gegevens te vergelijken met de voorspellingen van drie verschillende scenario's — één waarin elke ster een neutronenster is, één waarin elke ster een quarkster is, en één waarin beide typen samen voorkomen — ontdekten de onderzoekers dat het universum waarschijnlijk diverser is dan voorheen werd aangenomen.

De onderzoekers vertrouwden niet op één enkele theorie over hoe materie zich binnenin deze sterren gedraagt. In plaats daarvan bouwden ze een flexibel, datagestuurd model dat kon zich aanpassen aan wat de observaties suggereerden, waardoor de data zelf het woord mochten voeren. Ze voedden dit model met informatie van zes specifieke hemellichamen: vier pulsars waarvan de grootte en massa met hoge precisie zijn gemeten, en de twee sterren die betrokken waren bij de beroemde zwaartekrachtgolfgebeurtenis GW170817, die aanwijzingen gaven over hoe gemakkelijk deze sterren kunnen worden samengedrukt. Ze namen ook theoretische limieten op over hoe materie zich gedraagt bij extreem hoge dichtheden, afgeleid van ons beste begrip van de deeltjesfysica. Het team testte vervolgens elke mogelijke combinatie van deze zes sterren, waarbij ze vroegen of elke ster een neutronenster of een quarkster was, om te zien welke algehele rangschikking het beste bij de gegevens paste.

De resultaten wezen sterk in de richting van een "twee-families-scenario". In het meest waarschijnlijke geval bevat het universum twee verschillende takken van compacte sterren. De zwaardere, massievere sterren behoren tot één familie, terwijl de lichtere tot een andere behoren. Specifiek suggereert de studie dat de zwaarste waargenomen pulsar, bekend als PSR J0740+6620, waarschijnlijk een vreemde quarkster is — een zelfgebonden object dat volledig bestaat uit gedéconfineerde quarks. In contrast hiermee zijn de andere vijf sterren in de steekproef, inclusief de twee die botsten om de zwaartekrachtgolven te creëren, het best te beschrijven als traditionele neutronensterren. Deze bevinding is significant omdat het een langlopende spanning in de astrofysica oplost. Neutronensterren hebben een verwachte maximale omvang; als ze te zwaar worden, zouden ze moeten instorten tot zwarte gaten. Toch observeren we pulsars die bijna twee keer zo zwaar zijn als de zon. Als alle sterren neutronensterren waren, zou hun interne structuur ongelooflijk stijf moeten zijn om een dergelijk gewicht te ondersteunen, maar die stijfheid zou hen te groot maken om te voldoen aan de omvangmetingen van kleinere sterren. Door de zware ster als een heel ander type object toe te laten, biedt de studie een natuurlijke oplossing: de zware ster is een quarkster, die veel massiever en compacter kan zijn, terwijl de lichtere sterren neutronensterren blijven met een zachtere, flexibelere structuur.

De studie onthulde ook hoe de geluidssnelheid zich voortplant door de materie binnenin deze sterren, een eigenschap die vertelt hoe stijf of zacht het materiaal is. In het scenario waarin alle sterren neutronensterren zijn, vertoont de geluidssnelheid een scherpe, onverwachte piek bij bepaalde dichtheden, een kenmerk dat natuurkundigen al jarenlang verbaast. Echter, in het geprefereerde twee-families-scenario verdwijnt deze piek. In plaats daarvan stijgt de geluidssnelheid gestaag en vlakt deze daarna af, een vloeiender gedrag dat beter aansluit bij de theoretische verwachtingen voor hoe materie zou moeten reageren onder zulke verpletterende druk. Dit suggereert dat de interne structuur van een neutronenster fundamenteel verschilt van die van een quarkster, en dat het universum niet alle compacte sterren in één enkele mal dwingt.

Hoewel het bewijs nog niet absoluut is, wijst het statistische gewicht van de gegevens in het voordeel van dit gemengde populatiescenario. De onderzoekers berekenden dat het twee-families-scenario ongeveer zes keer waarschijnlijker is dan het scenario waarin alle sterren up-down quarksterren zijn, en aanzienlijk waarschijnlijker dan het scenario waarin alle sterren neutronensterren zijn. Dit betrouwbaarheidsniveau wordt beschreven als "matig bewijs", wat betekent dat de gegevens sterk in deze richting wijzen, maar ruimte laten voor toekomstige observaties om het beeld te verfijnen. De classificatie van de zwaarste ster als een quarkster heeft ook diepgaande implicaties voor de aard van materie zelf. Het ondersteunt een hypothese dat vreemde quarkmaterie de meest stabiele vorm van materie in het universum is, die potentieel in een staat bestaat die nooit vervalt. Als dit waar is, zou dit kunnen betekenen dat minuscule fragmenten van deze vreemde materie, bekend als strangelets, vanuit het vroege universum hebben kunnen overleven en zelfs een vorm van donkere materie zouden kunnen vormen, hoewel dit een speculatieve mogelijkheid blijft.

De studie testte ook hoe gevoelig deze conclusies zijn voor de manier waarop astronomen de gegevens van één specifieke pulsar, PSR J0030+0451, interpreteren. Afhankelijk van het model dat wordt gebruikt om de 'hot spots' op het oppervlak van deze ster te analyseren, kan de classificatie van die specifieke ster verschuiven tussen een neutronenster of een quarkster. De identificatie van de zwaarste ster, PSR J0740+6620, als een quarkster bleef echter robuust over alle geteste modellen heen. Deze stabiliteit suggereert dat het onderscheid tussen de twee families een echt kenmerk van de kosmos is, en niet slechts een artefact van hoe we één specifiek object meten. Naarmate nieuwe telescopen en detectoren voor zwaartekrachtgolven in gebruik worden genomen, zullen zij nog scherpere gegevens leveren, wat potentieel kan bevestigen of deze twee families van sterren werkelijk naast elkaar bestaan in de nachtelijke hemel, en daarmee een complexere en gevarieerdere populatie van stellaire overblijfselen onthult dan we ons ooit hadden voorgesteld.