Bayesian approach study of hybrid neutron stars

Diep in de kosmos, ver buiten het bereik van onze telescopen, liggen enkele van de meest extreme objecten in het universum: neutronensterren. Dit zijn de ingestorte kernen van massieve sterren die gestorven zijn, samengeperst tot sferen van slechts ongeveer twintig kilometer breed, maar die meer massa bevatten dan onze hele zon. Binnenin hen perst de zwaartekracht materie zo strak samen dat zelfs atomen zelf worden verpletterd, waardoor een dichte soep van protonen en neutronen achterblijft. Decennialang hebben natuurkundigen zich afgevraagd of deze druk nog verder gaat, waardoor de protonen en neutronen uit elkaar worden gedreven in hun eigen fundamentele bouwstenen: quarks. Als dit gebeurt, zou de kern van de ster transformeren naar een nieuwe staat van materie, wat een "hybride ster" creëert—een hemellichaam met een kern van vrij zwevende quarks omringd door een schil van normale nucleaire materie. Het bepalen of deze exotische kernen bestaan, is een van de grote uitdagingen in de moderne astrofysica, aangezien het zou onthullen hoe materie zich gedraagt onder omstandigheden die niet in enig laboratorium op aarde kunnen worden nagebootst.

Om dit puzzelstuk op te lossen, heeft een team onderzoekers gebruikgemaakt van een krachtige statistische methode die bekend staat als Bayesiaanse analyse. In plaats van te gokken welk model van materie correct zou kunnen zijn, gebruikten zij deze aanpak om verschillende theorieën te testen tegen echte gegevens verzameld door geavanceerde instrumenten. Ze richtten zich op metingen van de massa en grootte van neutronensterren, verzameld van detectoren voor zwaartekrachtgolven die luisteren naar de rimpelingen in de ruimtetijd veroorzaakt door botsende sterren, en van röntgentelescopen die de pulsen van licht van draaiende sterren timen. De onderzoekers bouwden computermodellen van deze sterren, waarbij ze voor elke ster twee duidelijke lagen creëerden: een buitenste schil van normale nucleaire materie en een centrale kern van gedeconfineerde quarkmaterie. Ze testten drie verschillende manieren om de buitenste schil te beschrijven, elk gebaseerd op licht afwijkende aannames over hoe deeltjes interageren, en koppelden deze aan een model voor de quarkkern dat specifieke parameters bevatte voor hoe de quarks tegen elkaar duwen en hoe ze worden geconfineerd.

Het team liet hun modellen vervolgens door een rigoureus proces van eliminatie lopen. Ze vroegen hun computersimulaties om de specifieke instellingen voor de quarkkern te vinden die de resulterende hybride sterren in staat stellen om overeen te komen met de waargenomen massa's en afmetingen van echte neutronensterren. Cruciaal was dat ze ook controleerden of deze sterren stabiel zouden blijven en of de overgang van normale materie naar quarkmaterie plaatsvond bij een dichtheid die fysiek zinvol is. De resultaten wezen op een zeer specifieke uitkomst. Het meest succesvolle model, dat een bepaalde beschrijving van de buitenste schil combineerde met een specifieke set regels voor de quarkkern, suggereerde dat een faseovergang naar quarkmaterie kan optreden bij dichtheden die minder dan tweemaal de dichtheid van normale atomaire kernen zijn. Deze bevinding impliceert dat hybride sterren met grote quarkkernen een mogelijke configuratie zijn die consistent is met de gegevens, hoewel het statistische bewijs dat dit specifieke model boven alternatieven bevoordeelt nog onconcluderend is.

Echter, de studie benadrukte ook aanzienlijke uitdagingen voor andere mogelijkheden. Wanneer de onderzoekers modellen testten die vreemde deeltjes genaamd hyperonen bevatten in de buitenste schil, of wanneer zij verschillende wiskundige beschrijvingen voor de nucleaire materie gebruikten, faalden de resulterende sterren vaak om overeen te komen met de geobserveerde gegevens of overtraden zij bekende fysieke limieten. In het bijzonder voorspelden veel van de alternatieve modellen, inclusief die met hyperonen, sterren die ofwel te zacht of te stijf waren, of zij suggereerden dat de overgang naar quarkmaterie bij zulke hoge dichtheden zou plaatsvinden dat de sterren zouden instorten voordat ze de noodzakelijke massa bereikten. De analyse toonde aan dat hoewel de hyperonische modellen niet volledig waren uitgesloten als een theoretische mogelijkheid, zij specifieke beperkingen afgeleid van perturbatieve Kwantumchromodynamica (pQCD) schonden. Slechts een nauwe reeks parameters voor de quarkkern kon een ster produceren die zowel stabiel is als consistent met de precieze metingen van recente astronomische waarnemingen, hoewel zelfs het best passende model spanning vertoonde met theoretische limieten.

De onderzoekers vonden dat het best passende model een overgang naar quarkmaterie voorspelt die plaatsvindt bij een dichtheid van ongeveer 1,9 keer de normale dichtheid van nucleaire materie. Op dat punt zou de kern van de ster beginnen van aard te veranderen, wat een groot gebied van quarkmaterie binnenin creëert. De studie geeft aan dat deze hybride sterren een straal van ongeveer 12 kilometer zouden hebben en massa's tot ongeveer 2,1 keer die van onze zon kunnen ondersteunen. Deze waarden komen overeen met de zwaarste neutronensterren die we hebben waargenomen, zoals de bekende PSR J0740+6620, die meer dan twee zonsmassa's weegt, hoewel de studie opmerkt dat het best passende model nog steeds specifieke pQCD-beperkingen schendt in bepaalde diagrammen. De bevindingen suggereren dat het binnenste van deze massieve sterren waarschijnlijk een complex mengsel van fasen is, waarbij de extreme druk een fundamentele verandering in de aard van de materie zelf afdwingt.

Hoewel de studie een duidelijker beeld geeft van de verborgen binnen로s van de dichtste objecten in het universum, benadrukt het ook de grenzen van onze huidige kennis. De onderzoekers merkten op dat het exacte moment waarop de overgang plaatsvindt, sterk afhangt van het specifieke model dat wordt gebruikt voor de buitenste schil van de ster. Sommige modellen suggereerden dat de overgang eerder plaatsvindt, terwijl anderen deze naar hogere dichtheden duwden, maar slechts één combinatie voldeed aan de meerderheid van de beperkingen uit astronomische gegevens, ook al overtrad deze nog steeds specifieke pQCD-beperkingen in bepaalde diagrammen. Het team onderzocht ook hoe de vorm van de ster verandert wanneer deze wordt getrokken door de zwaartekracht van een begeleidende ster, een eigenschap die bekend staat als getijdenvervormbaarheid. Hun resultaten toonden aan dat de meest succesvolle modellen sterren produceren die vervormen op een manier die consistent is met de zwaartekrachtgolven die in 2017 werden gedetecteerd tijdens de botsing van twee neutronensterren.

Uiteindelijk biedt dit werk een helderder beeld van de verborgen binnen로s van de dichtste objecten in het universum. Door nauwkeurige astronomische metingen te combineren met geavanceerde statistische instrumenten, hebben de onderzoekers de mogelijkheden ingeperkt voor wat er in het hart van een neutronenster ligt. Ze hebben aangetoond dat een grote quarkkern een plausibel kenmerk is van deze kosmische reuzen, mits de wetten die de overgang tussen normale materie en quarkmaterie beheersen een specifiek pad volgen, zelfs als het statistische bewijs voor dit specifieke scenario nog niet definitief is. Dit bewijst niet dat elke neutronenster een quarkkern heeft, maar het demonstreert dat een dergelijke configuratie compatibel is met veel van wat we momenteel weten over het universum. Naarmate er nieuwe gegevens arriveren van gevoeligere instrumenten, zullen deze modellen verder worden getest, wat potentieel de ware aard van materie aan de rand van het bestaan zal onthullen.