Hybrid Stars with Different Amount of Quark Matter

Diep in de kosmos, ver buiten het bereik van enige telescoop of ruimtesonde, liggen de meest extreme laboratoria in het universum: neutronensterren. Dit zijn de ingestorte kernen van massieve sterren die gestorven zijn, samengeperst totdat een enkele theelepel van hun materiaal even zwaar zou wegen als een berg. Binnen deze stellaire resten wordt materie zo strak samengeperst dat het de regels tart die we in het dagelijks leven observeren. In het absolute centrum, waar de druk onvoorstelbaar is, kunnen de atomen zelf uit elkaar vallen. De protonen en neutronen die normaal gesproken de materie bij elkaar houden, zouden kunnen oplossen in een soep van hun kleinere bouwstenen, bekend als quarks. Deze hypothetische staat van materie, waarin quarks vrij rondzwemmen in plaats van opgesloten te zitten in deeltjes, wordt quarkmaterie genoemd. Als het bestaat, zou het een hybride ster vormen—een kosmisch object met een kern van exotische quarkmaterie omgeven door een schil van normale nucleaire materie. Het begrijpen of deze sterren bestaan, en hoe ze eruitzien, is een van de grootste uitdagingen in de moderne astrofysica, omdat het zou onthullen hoe de natuur zich gedraagt onder de meest intense omstandigheden die mogelijk zijn.

Jarenlang hebben wetenschappers geprobeerd de interne structuur van deze sterren te reconstrueren door theoretische modellen te combineren met echte waarnemingen. Ze hebben gegevens van telescopen die röntgenstraling observeren die van de oppervlakken van neutronensterren weerkaatst, en ze hebben gegevens van zwaartekrachtgolfdetectoren die luisteren naar de rimpelingen in de ruimtetijd veroorzaakt door twee botsende neutronensterren. In een recente studie heeft een team onderzoekers van de Universiteit van Coimbra in Portugal dit vraagstuk opnieuw bekeken. Ze hadden eerder een reeks modellen ontwikkeld die suggereerden dat de zwaarste neutronensterren grote kernen van deze exotische quarkmaterie moeten bevatten. Hun nieuwe werk stelde echter een andere vraag: wat als de quarkkernen veel kleiner zijn, of zelfs nauwelwel aanwezig zijn? Door de strikte eis los te laten dat de kernen enorm moeten zijn, genereerden ze een nieuwe set mogelijkheden die veel beter aansluit bij de nieuwste astronomische metingen.

De onderzoekers gebruikten een krachtige statistische methode om door duizenden mogelijke scenario's te zeven. Ze begonnen met twee hoofdbestanddelen voor hun modellen: een beschrijving van de normale materie die in de buitenste lagen van de ster wordt gevonden, en een beschrijving van de potentiële quarkmaterie in het centrum. Vervolgens testten ze deze modellen tegen een rigoureuze checklist van echte gegevens. Deze checklist omvatte de bekende eigenschappen van nucleaire materie, de precieze massa's en afmetingen van verschillende specifieke neutronensterren waargenomen door de NICER röntgentelescoop, en de details van de botsing tussen twee neutronensterren gedetecteerd door de LIGO- en Virgo-observatoria. In hun vorige werk hadden ze de modellen gedwongen om sterren met massieve quarkkernen te produceren, wat de overgang van normale materie naar quarkmaterie bij relatief lage dichtheden deed plaatsvinden. In deze nieuwe studie lieten ze die specifieke beperking weg. Ze vereisten nog steeds dat de zwaarste sterren enige quarkmaterie binnenin hebben, maar ze lieten de grootte van die kern variëren van klein tot groot, waardoor de data konden bepalen wat het meest waarschijnlijk was.

De resultaten van deze nieuwe aanpak waren opmerkelijk. De modellen die ruimte lieten voor kleinere quarkkernen, die het team de "SmallQ"-set noemde, produceerden neutronensterren die iets kleiner in straal en minder vervormbaar waren dan die in hun vorige modellen. Dit maakte de nieuwe modellen een veel betere match voor de werkelijke waarnemingen van de NICER-telescoop en de zwaartekrachtgolfgegevens. In de vorige modellen met grote kernen vond de overgang naar quarkmaterie plaats bij een dichtheid van ongeveer twee tot tweeënhalf keer de dichtheid van normale atomaire kernen. In de nieuwe, succesvollere modellen werd deze overgang veel dieper in de ster geduwd, plaatsvindend bij dichtheden tussen drie en vierënhalf keer de normale kernendichtheid. Deze vertraging in de faseovergang betekent dat de schil van normale materie van de ster dikker is, en de exotische kern kleiner of, in sommige gevallen, bijna niet-bestaand is, zelfs in de zwaarste sterren.

Deze verschuiving in de timing van de faseovergang veranderde ook de interne samenstelling van de sterren. In de modellen met grote kernen werd de quarkmaterie gedomineerd door up- en downquarks. In de nieuwe modellen met kleinere kernen werden de strange quarks—een zwaarder type quark—veel overvloediger, waardoor ze een groter deel van de samenstelling van de kern uitmaakten. Interessant genoeg suggereren de nieuwe modellen dat sommige van de zwaarste neutronensterren, die twee keer zo zwaar zijn als onze zon, zeer weinig tot geen quarkmaterie kunnen bevatten. Dit daagt het idee uit dat de zwaarste sterren noodzakelijkerwijs gedomineerd worden door exotische materie. In plaats daarvan suggereert het dat de overgang naar quarkmaterie een zeldzame gebeurtenis is die alleen plaatsvindt onder de meest extreme druk, of misschien helemaal niet in sommige van de zwaarste sterren die we hebben waargenomen.

De studie keek ook naar hoe de grootte van een neutronenster verandert naarmate de massa toeneemt. Voor sterren die alleen uit normale materie bestaan, heeft de straal de neiging te krimpen naarmate de ster zwaarder wordt. Voor sterren met exotische materie kan de relatie complexer zijn. De onderzoekers ontdekten dat in hun nieuwe reeks modellen een aanzienlijk aantal sterren nog steeds een positieve helling vertoonde in hun massa-straalrelatie bij lagere massa's, wat betekent dat ze iets groter werden naarmate ze zwaarder werden. Echter, bij een massa van 1,8 keer die van de zon, vertoonden de overgrote meerderheid van deze modellen het verwachte gedrag van krimpen. Dit is een cruciaal onderscheid, omdat in hun vorige modellen met grote kernen een positieve helling gebruikelijk was, zelfs bij deze hoge massa's. Het feit dat de nieuwe modellen meestal het standaard krimpende gedrag vertonen bij hoge massa's, terwijl ze nog steeds de observationele gegevens verklaren, suggereert dat de aanwezigheid van een grote quarkkern niet vereist is om de sterren die we zien te verklaren.

Uiteindelijk verfijnt dit werk ons begrip van de dichtste materie in het universum. Door de grootte van de quarkkern vrij te laten variëren in plaats van deze groot te dwingen, vonden de onderzoekers een set modellen die consistenter is met het universum zoals wij dat observeren. Deze modellen suggereren dat als quarkmaterie bestaat in de harten van neutronensterren, het waarschijnlijk beperkt is tot een klein gebied in het absolute centrum, en pas verschijnt wanneer de dichtheid extreme niveaus bereikt. De bevindingen sluiten het bestaan van quarkmaterie niet uit, maar suggereren dat de overgang naar deze exotische staat moeilijker te bereiken is dan voorheen gedacht. Terwijl astronomen voortdurend meer nauwkeurige gegevens verzamelen over de grootte en massa van neutronensterren, zullen deze verfijnde modellen dienen als een kritische gids, die helpt bepalen of de kernen van deze kosmische reuzen bestaan uit de vreemde, vrij rondzwemmende quarks die al lang worden getheoretiseerd, of dat ze volledig blijven bestaan uit de vertrouwde materie die ook onze eigen wereld vormt.