Nonradial oscillation modes of axion condensed neutron stars in the Cowling approximation

Diep binnenin de meest extreme objecten in het universum, neutronensterren, wordt materie samengeperst tot dichtheden die het dagelijkse begrip tarten. Deze stellaire resten zijn zo dicht dat een enkele theelepel van hun materiaal miljarden tonnen zou wegen op aarde. Decennialang hebben natuurkundigen zich afgevraagd of deze extreme omgevingen deeltjes kunnen huisvesten die anders voor ons onzichtbaar zijn. Een dergelijke kandidaat is het axion, een hypothetisch deeltje dat oorspronkelijk werd voorgesteld om een fundamenteel vraagstuk over hoe de sterke kernkracht zich gedraagt, op te lossen. Hoewel axionen ook een belangrijke kandidaat zijn voor donkere materie, de onzichtbare substantie die sterrenstelsels bij elkaar houdt, worden ze meestal beschouwd als spookachtige deeltjes die door de ruimte razen zonder veel interactie te hebben. Recente theorieën suggereren echter dat, binnen een neutronenster, de enorme dichtheid van materie deze axionen kan dwingen om anders te reageren, waarbij ze samenklonteren om een macroscopische wolk, of condensaat, te vormen die het hart van de ster doordringt.

Dit nieuwe gedrag zou niet simpelweg rustig in de ster zitten; het zou veranderen hoe de ster vibreert. Neutronensterren zijn geen statische sferen; ze rinkelen als bellen nadat ze zijn verstoord, waarbij ze oscillaties produceren die door hun binnenste rimpelen. Deze trillingen zijn een cruciaal instrument voor astronomen, die hopen deze geluiden te beluisteren met detectoren voor zwaartekrachtgolven om meer te leren over de interne structuur van de ster. Een team van onderzoekers heeft nu een nauwere blik geworpen op hoe een wolk van axionen deze trillingen zou veranderen. Door gedetailleerde computermodellen te maken van een neutronenster gevuld met dit axioncondensaat, hebben zij in kaart gebracht hoe de natuurlijke frequenties van de ster verschuiven en hoe de energie van de trillingen op een nieuwe manier weg kan lekken.

De onderzoekers concentreerden zich op het specifieke type trilling dat bekend staat als niet-radiale oscillaties, waarbij de ster wankelt in een complex, bobbelig patroon in plaats van simpelweg uit te zetten en in te krimpen. Ze bouwden een model van een neutronenster met behulp van een standaardbeschrijving van nucleaire materie en voegden de effecten van het axionveld toe, wat de effectieve massa van de deeltjes binnen de ster verandert. In hun simulaties observeerden ze hoe de fundamentele trilling van de ster, bekend als de f-modus, en de hogere frequentie druk-golven, de p-modi, reageerden op de aanwezigheid van de axionwolk. Ze ontdekten dat het loutere bestaan van het condensaat de interne structuur van de ster verandert, wat op zijn beurt de frequenties van deze trillingen naar boven stuwt. Voor de fundamentele modus kan deze verschuiving zo groot zijn als twintig procent, een significante verandering die gemakkelijk detecteerbaar zou zijn als we de ster zouden kunnen horen.

Het verhaal eindigt echter niet met een eenvoudige verschuiving in toonhoogte. Het axionveld is geen statische achtergrond; het is een dynamische partner die interacteert met de vloeistof van de ster. Terwijl de ster wankelt, brengt zij het axionveld in beweging, en deze koppeling heft de frequentieverschuiving die door de structurele veranderingen wordt veroorzaakt gedeeltelijk op. Voor de fundamentele modus is deze annulering zo sterk dat de uiteindelijke frequentie veel dichter bij wat het zou zijn zonder de axionen ligt dan de structurele verandering alleen zou suggereren. Voor de hogere frequentie druk-modi is de annulering minder volledig, wat een merkbare verschuiving achterlaat. Dit samenspel tussen de vorm van de ster en het axionveld creëert een complexe signatuur die een axion-gevulde ster onderscheidt van een normale ster.

Misschien wel de meest dramatische ontdekking is hoe deze sterren energie verliezen. In een normale neutronenster sterven trillingen uiteindelijk uit omdat ze zwaartekrachtgolven uitstralen, rimpelingen in de ruimtetijd die energie wegdragen. In dit nieuwe model opent het axionveld een tweede, snellere kanaal voor energieverlies. Als een trilling snel genoeg is — specifiek, als de frequentie ervan hoger is dan een drempelwaarde die wordt bepaald door de massa van het axion — kan deze haar energie omzetten in voortplantende axiongolven die uit de ster vliegen. De onderzoekers ontdekten dat terwijl de fundamentele modus meestal te traag is om dit effect te triggeren, de hogere frequentie druk-modi vaak deze drempel overschrijden. Wanneer zij dat doen, kunnen zij hun energie ongelooflijk snel verliezen, met dempingstijden zo kort als tien milliseconden. Dit is sneller dan de tijd die zwaartekrachtgolven nodig hebben om de energie weg te drenen, wat betekent dat voor bepaalde axionmassa's het geluid van de ster bijna onmiddellijk wordt verstomd door de emissie van axionen.

De studie onthulde ook een volledig nieuwe familie van trillingen die meer toebehoren aan het axionveld dan aan de ster zelf. Dit zijn afzonderlijke, zwaar gedempte modi die bestaan vanwege de eigen eigenschappen van het axion, en die zich gedragen zoals de manier waarop een bel zou rinkelen als deze van een totaal ander materiaal was gemaakt. Daarnaast vonden het team dat het axionveld bepaalde trillingen kan vangen in een toestand die vergelijkbaar is met hoe een elektron in een atoom wordt gevangen, wat zogenaamde gravitationele atoomniveaus creëert. Deze gevangen toestanden bevinden zich net onder de energie-drempel die nodig is om te ontsnappen. Naarmate de eigenschappen van het axion veranderen, interageren deze gevangen toestanden met de drukgolven van de ster, waardoor ze van identiteit wisselen in een proces dat bekend staat als een 'avoided crossing' (vermijding van kruising). De vloeistoftrilling van de ster kan plotseling een axiontrilling worden, en vice versa, zonder ooit daadwerkelijk te botsen.

Deze bevindingen suggereren dat als axionen bestaan en kunnen condenseren binnen neutronensterren, zij een duidelijke vingerafdruk zullen achterlaten op de oscillaties van de ster. De combinatie van verschoven frequenties, snelle energieverlies door axionemissie en het verschijnen van nieuwe, axion-gedomineerde vibratiemodi biedt een helder pakket aan signalen waar toekomstige zwaartekrachtgolfobservatoria naar kunnen zoeken. Door nauwkeurig te luisteren naar het rinkelen van neutronensterren, kunnen astronomen wellicht binnenkort niet alleen bepalen hoe dicht de ster is, maar ook of hij een wolk van onzichtbare deeltjes verbergt die enkele van de grootste mysteries in de fysica kunnen oplossen.