Adiabatic evolution of hadronic neutron stars

Diep in de kosmos, waar zwaartekracht materie verplettert tot toestanden die niet in enig laboratorium op aarde kunnen worden gereproduceerd, liggen de neutronensterren. Dit zijn de ingestorte kernen van massieve sterren die zijn gestorven in spectaculaire explosies, waarbij objecten zijn achtergelaten die zo dicht zijn dat een enkele theelepel van hun materiaal een miljard ton zou wegen. Decennialang hebben wetenschappers geprobeerd de regels te begrijpen die deze extreme materie beheersen, door te vragen wat er gebeurt wanneer je protonen en neutronen samenpers in elkaar tot ze uit elkaar vallen of transformeren in vreemdere deeltjes. Het antwoord ligt in de "toestandsvergelijking", een reeks fysieke regels die beschrijft hoe druk en dichtheid met elkaar samenhangen binnen deze stellaire karkassen. Deze relatie is cruciaal omdat zij bepaalt hoe zwaar een neutronenster kan worden voordat hij instort tot een zwart gat, en hoe hij zich gedraagt wanneer hij draait of wanneer hij wordt geboren in het vurige nageslacht van een stellaire botsing. Het begrijpen van deze regels helpt astronomen om de signalen van zwaartekrachtgolven te decoderen — rimpelingen in de ruimtetijd veroorzaakt door gewelddadige kosmische gebeurtenissen — en het lot van de achtergebleven objecten te bepalen.

Een team onderzoekers heeft nu een nieuwe, gedetailleerde kaart van deze extreme materie opgesteld om te verkennen hoe neutronensterren in de loop van de tijd evolueren, met name in de momenten volgend op hun gewelddadige geboorte. Ze richtten zich op twee specifieke scenario's: de geboorte van een neutronenster uit een instortende massieve ster, en het restant dat achterblijft nadat twee neutronensterren tegen elkaar zijn geknald. In beide gevallen is het pasgeboren object ongelooflijk heet, draait het snel en is het gevuld met gevangen deeltjes genaamd neutrino's die niet onmiddellijk kunnen ontsnappen. De onderzoekers wilden weten hoe deze omstandigheden de structuur van de ster veranderen en of de ster overleeft of instort tot een zwart gat terwijl hij afkoelt en zijn rotatiesnelheid vermindert. Hiervoor ontwikkelden ze een nieuw model dat rekening houdt met de aanwezigheid van hyperonen, die zwaardere neven zijn van de protonen en neutronen waaruit gewone materie bestaat, en hoe deze deeltjes zich gedragen wanneer de ster heet is en roteert.

Het team gebruikte een geavanceerd computermodel om het gedrag van materie onder deze extreme omstandigheden te simuleren. Ze begonnen met het creëren van een beschrijving van het binnenste van de ster die niet alleen protonen en neutronen omvatte, maar ook de mogelijkheid dat hyperonen verschijnen wanneer de dichtheid hoog genoeg wordt. Ze namen ook de effecten van hitte mee en het feit dat, voor een korte tijd nadat een ster is geboren, neutrino's erin gevangen zitten en niet in staat zijn te ontsnappen. Door hun simulaties uit te voeren, konden ze het maximale gewicht berekenen dat een ster kan ondersteunen onder verschillende omstandigheden. Ze ontdekten dat de aanwezigheid van hyperonen de regels aanzienlijk verandert. In een koude, dode ster maakt het toevoegen van hyperonen de materie "zachter", wat betekent dat het gemakkelijker samen te drukken is, wat het maximale gewicht dat de ster kan dragen voordat hij instort, verlaagt. Echter, het verhaal verandert wanneer de ster heet is en gevuld is met gevangen neutrino's. In deze specifieke omgeving maken de gevangen neutrino's de materie juist "stijver" of moeilijker samen te drukken, waardoor de ster meer gewicht kan ondersteunen dan hij zou kunnen als de neutrino's vrij zouden kunnen ontsnappen.

De onderzoekers pasten deze bevindingen vervolgens toe op de complexe levenscyclus van een neutronenster-remnant. Ze stelden zich de evolutie van de ster voor als een reeks momentopnames, beginnend vanaf het moment van zijn geboorte wanneer hij wild draait en differentiële rotatie vertoont — wat betekent dat het centrum met een andere snelheid draait dan de buitenste lagen. Naarmate de tijd verstrijkt, verliest de ster deze differentiële rotatie en stabiliseert hij tot een rigide rotatie, terwijl hij tegelijkertijd afkoelt en zijn gevangen neutrino's verliest. Het team volgde het pad van de ster door deze stadia om te zien of hij stabiel zou blijven of zou instorten. Ze testten hun model tegen reële kosmische gebeurtenissen, specif de zwaartekrachtgolfsignalen van twee beroemde neutronensterbotsingen die door observatoria op aarde werden gedetecteerd. Een van deze gebeurtenissen, bekend als GW170817, betrof twee sterren die versmolten en een restant vormden dat enige tijd standhield voordat het instortte. De andere, GW190425, betrof een veel zwaarder paar dat bijna onmiddellijk instortte.

De resultaten van hun simulaties boden een duidelijk onderscheid tussen de twee uitkomsten. Voor de zwaardere botsing, GW190425, bevestigde het model dat het restant simpelweg te zwaar was om te overleven, en bijna onmiddellijk instortte tot een zwart gat, ongeacht of de materie binnenin hyperonen bevatte of niet. Echter, voor de lichtere botsing, GW170817, maakte de aanwezigheid van hyperonen een cruciaal verschil. Als het restant uit gewone materie bestond, suggereerden de simulaties dat het een tijdje als een draaiende neutronenster had kunnen overleven voordat het uiteindelijk instortte. Maar als het restant hyperonen bevatte, zou de ster veel eerder in een zwart gat zijn gestort, zodra hij zijn snelle, differentiële rotatiebeweging verloor. Dit suggereert dat de interne samenstelling van de ster fungeert als een timer, die bepaalt hoe lang een pasgeboren neutronenster kan overleven voordat de zwaartekracht wint.

De studie onthulde ook dat de manier waarop een ster draait een enorme rol speelt bij zijn overleving. Wanneer een ster differentieel draait, met een kern die veel sneller draait dan het oppervlak, kan zij een veel grotere massa ondersteunen dan een ster die met een uniforme snelheid draait. De onderzoekers ontdekten dat naarmate de ster vertraagt en overgaat naar een uniforme rotatie, zij deze extra ondersteuning verliest. Als de ster te zwaar is, triggert dit verlies van ondersteuning een instorting. Het team merkte op dat de overgang van een snelle, chaotische rotatie naar een langzame, constante rotatie vereist dat de ster een aanzienlijke hoeveelheid impulsmoment afstaat, vaak door een deel van zijn massa uit te stoten. Als de ster niet genoeg impulsmoment kan afstaan, kan zij niet stabiliseren en stort zij in.

Uiteindelijk biedt dit werk een nieuw instrument voor astronomen om de signalen te interpreteren die zij ontvangen uit het universum. Door de waargenomen eigenschappen van neutronenster-fusies te vergelijken met deze gedetailleerde simulaties, kunnen wetenschappers beginnen te herleiden welk type materie zich in het hart van deze sterren bevindt. Het onderzoek suggereert dat als hyperonen aanwezig zijn, zij de resten van neutronenster-botsingen veel sneller zouden doen instorten tot zwarte gaten dan voorheen werd gedacht. Dit inzicht helpt om de mogelijke aard van de dichtste materie in het universum in te perken, waardoor we dichter bij het begrijpen van de fundamentele wetten die de meest extreme omgevingen in het bestaan beheersen. De bevindingen lossen het mysterie van de binnenkant van neutronensterren niet volledig op, maar bieden een duidelijker beeld van hoe hitte, rotatie en de samenstelling van deeltjes interageren om te bepalen of een pasgeboren ster leeft of sterft.