Ultra-compact twin stars with hybrid equations of state from bosonic dark matter

Diep in het hart van het universum, waar de zwaartekracht zo intens is dat materie wordt verpletterde tot een staat die dichter is dan welk materiaal op aarde ook, liggen de overblijfselen van dode sterren. Dit zijn neutronensterren, de kosmische lijken van massieve zonnen die onder hun eigen gewicht zijn ingestort. Hoewel we de buitenste lagen van deze objecten begrijpen, blijven hun kernen een diep mysterie. De druk binnenin is zo extreem dat het protonen en neutronen zou kunnen dwingen om op te lossen in een soep van hun constituerende delen, bekend als quarkmaterie. Tegelijkertijd is het universum gevuld met onzichtbare donkere materie, een substantie die geen licht uitzendt maar wel zwaartekracht uitoefent. Decennialang hebben wetenschappers zich afgevraagd wat er gebeurt als deze twee kosmische puzzels botsen: wat als een neutronenster niet alleen uit gewone materie bestaat, maar ook een aanzienlijke hoeveelheid donkere materie bevat die in de kern gevangen zit?

Een team onderzoekers aan de Goethe Universiteit in Frankfurt heeft een frisse blik geworpen op deze mogelijkheid, door de fysica van quarkmaterie te combineren met de fysica van donkere materie om te zien hoe zij het leven van een neutronenster hervormen. Ze richtten zich op een specifiek scenario waarin de overgang van normale materie naar quarkmaterie plotseling en gewelddadig is, in plaats van geleidelijk. In de wereld van sterren met één enkele vloeistof creëert een dergelijke plotselinge sprong gewoonlijk een gat in de stabiliteit, wat betekent dat sterren met bepaalde massa's simpelweg niet kunnen bestaan. Echter, de onderzoekers ontdekten dat het toevoegen van een tweede vloeistof van donkere materie de regels volledig verandert. Door deze hybride sterren te simuleren, ontdekten ze dat donkere materie kan fungeren als een stabiliserend agens, waardoor de gaten worden gladgestreken en nieuwe soorten sterren mogelijk worden gemaakt die voorheen als onmogelijk werden beschouwd.

De studie onthult dat de aanwezigheid van donkere materie de structuur van een neutronenster op twee zeer verschillende manieren kan veranderen, waardoor er twee onderscheidende families van ultra-compacte objecten ontstaan. In het ene scenario vormt de donkere materie een dichte kern die diep in de ster verborgen ligt, omringd door een schil van normale materie. In het andere scenario vormt de donkere materie een uitgestrekte, diffuse halo die de gehele ster omhult en zich ver buiten het zichtbare oppervlak van de normale materie uitstrekt. Opmerkelijk genoeg kunnen beide typen sterren ongelooflijk klein en zwaar zijn, waarbij ze zoveel massa in zo'klein een ruimte persen dat ze de grenzen bereiken van wat de fysica toestaat. De onderzoekers ontdekten dat deze ultra-compacte sterren een compactheidswaarde van minstens één derde kunnen hebben, een drempel waarbij de ster zo dicht is dat licht eromheen kan draaien, een kenmerk dat gewoonlijk geassocieerd wordt met zwarte gaten.

Wat deze ontdekking bijzonder opvallend maakt, is hoe donkere materie de relatie tussen de massa en de grootte van een ster verandert. In een standaard neutronenster krimpt de ster als je meer massa toevoegt. Maar met de betrokkenheid van donkere materie ontdekten de onderzoekers dat de zichtbare grootte van de ster drastisch kan krimpen terwijl de totale massa hoog blijft, of omgekeerd, dat de ster een vergelijkbare zichtbare grootte kan behouden terwijl hij een veel andere hoeveelheid donkere materie met zich meedraagt. Dit leidt tot een fenomeen dat de auteurs "ultieme tweelingen" noemen. Dit zijn paren sterren die er voor onze telescopen identiek uitzien — met dezelfde massa en dezelfde zichtbare straal — maar intern fundamenteel verschillend zijn. De een kan een pure hybride ster met een quarkkern zijn, terwijl zijn tweeling een hybride ster met een massieve donkere materie-halo is. Voor een waarnemer die alleen de grootte en het gewicht van de ster meet, zouden ze hetzelfde object lijken, terwijl hun interne samenstelling en hun reactie op zwaartekrachtkrachten echter volledig verschillend zijn.

De onderzoekers keken ook naar hoe deze sterren zich zouden gedragen als ze zouden botsen of getrokken zouden worden door de zwaartekracht van een begeleidende ster. Ze ontdekten dat de aanwezigheid van donkere materie een duidelijk vingerafdruk achterlaat in de vorm van zwaartekrachtgolven. De "ultieme tweelingen" die zij identificeerden, zouden verschillende signalen produceren wanneer ze interageren met andere sterren, zelfs als ze er in zichtbaar licht hetzelfde uitzien. Verder onderzocht de studie het licht dat ontsnapt van het oppervlak van deze sterren. Omdat zwaartekracht licht buigt, wordt het licht van een zeer dichte ster uitgerekt, of roodverschoven, terwijl het naar ons toe reist. Het team vond dat de twee typen ultra-compacte sterren zeer verschillende roodverschuivingen produceren. De sterren met een donkere materie-kern vertonen een hoge roodverschuiving, vergelijkbaar met wat we verwachten van de dichtste normale sterren. In contrast hiermee vertonen de sterren met een donkere materie-halo een verrassend lage roodverschuiving, ondanks dat ze even compact zijn. Dit contra-intuïtieve resultaat komt doordat een groot deel van de massa in de halo-versie zich buiten het oppervlak bevindt waar het licht wordt uitgezonden, waardoor het licht niet zo diep uit een zwaartekrachtput hoeft te klimmen als men zou verwachten.

Deze bevindingen suggereren dat het universum een dierentuin van exotische sterren kan verbergen die wij nog niet hebben geïdentificeerd. De onderzoekers stellen voor dat toekomstige telescopen, die in staat zullen zijn de grootte en massa van neutronensterren met veel grotere precisie te meten dan huidige instrumenten, deze anomalieën kunnen opsporen. Als een telescoop een ster detecteert die ongelooflijk klein en zwaar is, of als detectoren van zwaartekrachtgolven een signaal horen dat niet overeenkomt met de zichtbare grootte van de ster, zou dit het eerste bewijs kunnen zijn van donkere materie die in een neutronenster leeft. De studie beweert nog niet deze sterren te hebben gevonden, maar biedt een gedetailleerde kaart van waar te zoeken en wat te verwachten. Het laat zien dat de wisselwerking tussen de plotselinge overgang naar quarkmaterie en de aanwezigheid van donkere materie een rijk landschap van mogelijkheden creëert, waardoor de neutronenster verandert in een laboratorium waar de wetten van de zwaartekracht en de deeltjesfysica worden getest onder de meest extreme omstandigheden die men zich kan voorstellen.

Het werk verheldert ook een langlopende vraag over de stabiliteit van deze sterren. In eerdere modellen werd gedacht dat een plotselinge verandering van normale materie naar quarkmaterie een onstabiel gebied zou creëren waar sterren niet konden bestaan. De onderzoekers ontdekten dat de toevoeging van donkere materie deze instabiliteit wegneemt. In plaats van een gat in de sequentie van mogelijke sterren, creëert de aanwezigheid van donkere materie een continu pad, waardoor sterren soepel van de ene staat naar de andere kunnen overgaan zonder in te storten. Dit betekent dat de "tweelingsterren" voorspeld door eerdere theorieën misschien niet zo zeldzaam of onderscheidend zijn als ooit gedacht; ze zouden deel kunnen uitmaken van een continue familie van sterren die simpelweg verschillende hoeveelheden donkere materie met zich meedraagt. De studie concludeert dat de zoektocht naar donkere materie niet noodzakelijkerwijs vereist dat we kijken naar de lege ruimtes tussen sterrenstelsels, maar juist naar de dichtste, meest compacte objecten in het universum, waar het onzichtbare en het zichtbare samen zijn vergrendeld in een zwaartekrachtomhelzing.