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

Diep binnenin de meest extreme objecten in het universum wordt materie samengeperst tot dichtheden die in geen enkel laboratorium op aarde kunnen worden gecreëerd. Deze objecten zijn neutronensterren, de superdichte overblijfselen van massieve sterren die zijn geëxplodeerd. Decennialang hebben natuurkundigen gedebatteerd over wat er zich in het hart van deze sterren bevindt. Terwijl de buitenste lagen bestaan uit bekende atoomkernen, zou de kern zo gecomprimeerd kunnen zijn dat protonen en neutronen oplossen in een soep van hun constituerende delen, bekend als quarks. Deze verschuiving van gewone nucleaire materie naar een quarkkern wordt een faseovergang genoemd, vergelijkbaar met hoe water in ijs verandert, maar dan gebeurend onder omstandigheden van immense druk en zwaartekracht. Begrijpen of dit gebeurt, en hoe, is cruciaal omdat het de fundamentele regels zou onthullen die bepalen hoe materie zich gedraagt wanneer deze tot zijn absolute limiet wordt samengeperst.

Een nieuwe studie door onderzoekers in Duitsland en Ierland verkent wat er zou gebeuren als een dergelijke transitie zou plaatsvinden in een jonge, hete neutronenster, een zogenaamde proto-neutronenster. Deze sterren worden geboren in de gewelddadige nasleep van een supernova-explosie en koelen nog af terwijl ze meer materiaal uit hun omgeving opslokken. De onderzoekers bestudeerden een specifiek scenario waarbij de kern van de ster plotseling verandert van normale materie naar quarkmaterie. Ze ontdekten dat deze gebeurtenis niet alleen een stille interne verschuiving zou zijn; het zou een dramatisch, tweeledig signaal triggeren dat door toekomstige instrumenten gedetecteerd zou kunnen worden. De gebeurtenis zou rimpelingen in de ruimtetijd uitzenden, bekend als zwaartekrachtgolven, op twee zeer verschillende snelheden tegelijkertijd, terwijl het ook een uitbarsting van spookachtige deeltjes genaamd neutrino's vrijgeeft.

De onderzoekers bouwden een enorme collectie computermodellen om dit proces te simuleren. In plaats van één enkel antwoord te raden voor hoe materie zich gedraagt, creëerden ze duizenden mogelijke versies van de interne structuur van de neutronenster, die allemaal consistent waren met de bekende natuurwetten en waarnemingen van echte sterren. Vervolgens keken ze hoe deze gesimuleerde sterren evolueerden terwijl ze meer massa verzamelden. In veel van deze modellen duwde het toegevoegde gewicht de kern uiteindelijk voorbij een kantelpunt, wat een plotselinge conversie naar quarkmaterie dwong. Het team berekende exact wat voor soort signaal deze conversie zou produceren. Ze ontdekten dat de gebeurtenis twee verschillende soorten zwaartekrachtgolven creëert. De eerste is een laagfrequent gerommel, in het kilohertzbereik, veroorzaakt door de aanpassing van de gehele vorm van de ster terwijl de kern krimpt en dichter wordt. De tweede is een veel hogere frequentie-uitbarsting, in het megahertzbereik, veroorzaakt door de microscopische botsing van kleine bubbels van de nieuwe quarkmaterie terwijl zij vormen en door de ster expanderen.

Deze twee signalen zijn op een manier verbonden die wetenschappers kan helpen de fysica van de transitie te decoderen. De laagfrequente golf vertelt ons over de algehele grootte en structuur van de ster, terwijl de hoogfrequente uitbarsting details onthult over het microscopische proces van het vormen en botsen van de bubbels. De studie laat zien dat als we beide signalen van dezelfde gebeurtenis zouden kunnen detecteren, we de informatie van de laagfrequente golf kunnen gebruiken om de mogelijkheden voor de hoogfrequente golf in te perken. Dit zou ons in staat stellen eigenschappen te meten die momenteel onmogelijk te bepalen zijn, zoals de oppervlaktespanning van de grens tussen de twee soorten materie. De onderzoekers ontdekten ook dat deze gebeurtenis vergezeld zou gaan van een tweede uitbarsting van neutrino's, die enkele honderden milliseconden tot een paar seconden na de initiële explosie arriveert. Deze vertraging wordt bepaald door hoe lang het duurt voordat de ster genoeg massa heeft verzameld om de transitie te triggeren.

De bevindingen suggereren dat het opvangen van dit multi-messenger signaal een grote doorbraak zou zijn. Hoewel huidige detectoren van zwaartekrachtgolven gevoelig genoeg zijn om het laagfrequente gerommel te horen, zijn ze nog niet in staat om de hoogfrequente megahertz-uitbarsting te horen. Echter, de studie wijst erop dat de volgende generatie detectoren, die momenteel in planning zijn, potentieel beide kunnen horen. Als een toekomstige observatie de laagfrequente golf detecteert en een gespecialiseerd hoogfrequent instrument tegelijkertijd de hoogfrequente uitbarsting oppikt, samen met het vertraagde neutrino-signaal, zou dit een compleet beeld geven van de faseovergang. Dit zou bevestigen dat quarkmaterie bestaat in de kernen van neutronensterren en zou ons onze eerste directe blik geven op hoe materie zich gedraagt onder de meest extreme omstandigheden in het kosmos. Het onderzoek beweert niet dat het dit signaal al heeft gevonden, maar het biedt een duidelijke roadmap voor waar naar te zoeken en hoe het te interpreteren wanneer de technologie zover is.