4 juli 2020

Bestaan van exotische quark-materie “zo goed als zeker”

De quark-kern binnen een neutronenster. Credits: Jyrki Hokkanen, CSC – IT Center for Science.

Een onderzoeksteam uit Finland heeft sterke aanwijzingen gevonden voor de aanwezigheid van exotische “quark-materie” in het inwendige van de grootste neutronensterren. Ze zijn tot deze conclusie gekomen door recente ontwikkelingen binnen de deeltjesfysica te combineren met de detectie van zwaartekrachtgolven die geproduceerd zijn door botsende neutronensterren.

Alle “normale” materie om ons heen (inclusief wijzelf) is opgebouwd uit atomen, die zelf weer zijn opgebouwd uit een dichte atoomkern (met hierin protonen en neutronen) die omringd wordt door een “wolk” van negatief geladen elektronen. Binnen een neutronenster wordt deze vorm van materie onder zijn eigen gewicht in elkaar gedrukt, waarbij de elektronen samensmelten met de atoomkernen. Hierbij ontstaat een enorme bal van neutronen, vandaar de term neutronenster. Deze hebben de dichtheid van een atoomkern: feitelijk zijn neutronensterren dus gigantische atoomkernen ter grootte van een stad!

Het was tot voor kort onbekend in hoeverre dit “neutronium” in de kern van sommige neutronensterren nog verder zou kunnen instorten. Het gevolg hiervan zou een nog exotischer vorm van materie zijn, namelijk het zogenaamde quarkmaterie. De vraag of sommige neutronensterren een quark-kern hebben is één van de belangrijkste elementen binnen het onderzoek naar neutronensterren sinds het idee van het quarkmaterie zo’n 40 jaar geleden voor het eerst werd geopperd.

Helaas blijkt dat zelfs grootschalige super-computersimulaties niet in staat zijn om te achterhalen of het quarkmaterie zou kunnen bestaan. Vandaar dat de Finse onderzoekers het over een andere boeg hebben gegooid. Door deeltjesfysica te combineren met astrofyisca, zou men de eigenschappen van materie in het inwendige van neutronensterren kunnen achterhalen. Uit deze berekeningen is gebleken dat de kernen van de zwaarste neutronensterren eigenschappen hebben die dichter bij quarkmaterie liggen dan bij neutronium.

Botsende neutronensterren. Hierbij zal meestal een zwart gat het gevolg zijn en dit soort gebeurtenissen produceren een specifiek soort zwaartekrachtgolven. Credit: University of Warwick/Mark Garlick.

Maar hebben ze hiermee ook daadwerkelijk het bestaan van quarkmaterie bewezen? Niet helemaal, er bestaat een kleine kans dat alle neutronensterren puur uit neutronium bestaan. Maar in dat geval zou deze vorm van dichte materie nog vreemdere eigenschappen hebben dan we al dachten. Zo zou de snelheid van het geluid binnen zo’n neutronenster bijna de lichtsnelheid bereiken!

Twee belangrijke ontdekkingen zijn van groot belang geweest bij de conclusie van het Finse onderzoek, namelijk de detectie van zwaartekrachtgolven die geproduceerd worden door botsende neutronensterren én de ontdekking van supermassieve neutronensterren met een massa van bijna twee zonnemassa’s. Uit het bestuderen van de zwaartekrachtgolven is gebleken dat de bovenlimiet van de diameter van de neutronensterren zo’n 26 kilometer moet zijn geweest.

Verder heeft men neutronensterren gevonden van ongeveer 2 zonnemassa’s en dat is bijzonder, want de overgrote meerderheid van de neutronensterren hebben een massa van 1 tot 1,7 zonnemassa’s. Door deze twee ontdekkingen met elkaar te combineren zijn de onderzoekers tot de conclusie gekomen dat het bestaan van quarkmaterie heel waarschijnlijk is.

Natuurlijk bestaan hier nog onzekerheden over, maar aangezien het bestuderen van zwaartekrachtgolven nog in de kinderschoenen staat zullen toekomstige onderzoeken deze onzekerheid ongetwijfeld kunnen wegnemen. De Gouden Eeuw van de Zwaartekrachtgolven is nog maar net begonnen en dit nieuwe tijdperk binnen de sterrenkunde zal ongetwijfeld leiden tot soortgelijke grote doorbraken binnen zowel de deeltjes- als de astrofysica.

Het volledige onderzoeksartikel kan hier ingezien worden.

Bron: Universiteit van Helsinki

Comments

  1. Boeiende materie, haha letterlijk en figuurlijk.

    • Enceladus Enceladus zegt

      Mooie woordspeling! 🙂

      Geluid dat zich voortplant met (bijna) de snelheid van het licht: ik probeer me daar een voorstelling van te maken. Maar het is toch zo dat geluid lucht nodig heeft om zich voort te planten? En in deze exotische materie zit toch helemaal geen lucht? En ten tweede: wat zou de geluidsbron kunnen zijn?

      groet,
      Gert (Enceladus)

      • Geluid kan door elk medium reizen zolang de gemiddelde afstand tussen de deeltjes binnen dat medium maar korter is dan de golflengte van het geluid. En hoe stijver de materie waaruit het medium bestaat, hoe hoger de snelheid van het geluid. In diamand bijv. is de geluidssnelheid in de orde van 12 km/s. Er is zelfs geluid in de ruimte, al is het door de grote afstand tussen de deeltjes van zeer lage frequentie en daarom onhoorbaar.

        Maar even terug naar een neutronenster om te kijken wat de bron van geluid aldaar kan zijn. Neutronensterren kunnen erg snel roteren (zoals pulsars). Daardoor zijn ze niet helemaal rond. Als ze na verloop van tijd langzamer gaan roteren, zullen ze iets ronder willen worden, maar omdat de materie van een neutronenster erg dicht en stijf is, gebeurt dat niet geleidelijk, het gebeurt plots. Wat je dan krijgt is een soort sterbeving. Deze bevingen reizen met de geluidsnelheid, in het geval van neutronensterren dus nog veel hoger dan wat diamand voor elkaar krijgt.
        (nb: in vaste materie bestaan verschillende types golven, en ze reizen niet allemaal even snel – hierdoor weten seismologen hoe de aardkern is samengesteld. Hoe dit voor neutronensterren zit, weet ik niet. Zoals Olaf al hintte, is het niet helemaal duidelijk hoe we de materie binnenin neutronesterren precies moeten zien. We moeten maar eens wat seismologen die kant op sturen.)

        NB: geluid is in dit verhaal een verandering in dichtheid. Het kan ook opgevat worden als “iets wat je hoort”, in dat geval is er natuurlijk geen sprake van geluid op neutronensterren etc.

        • Hephaistos zegt

          Maar zou hun enorme zwaartekracht niet sterker zijn dan de middelpuntvliedende kracht?

          • Wouter zegt

            Natuurlijk, er wordt dan ook geen materie van de ster afgeslingerd. Maar er ontstaat wel een afwijking van een perfecte bol.

            Bij de aarde is dit overigens ook zo. De aarde is ook door zijn rotatie niet perfect rond, maar meer een beetje een platgedrukte bol, met de grootste omtrek rond de evenaar.

          • De centrifugale kracht is niet groter dan de ontsnappingsnelheid nee, maar dat hoeft ook niet. De rotatie moet wel snel zijn, wat ik kan vinden is dat bij 2.4 rotaties per milliseconde er significante eccentriciteit e is (e=0.078, een cirkel is e=0)

            https://www.researchgate.net/publication/231104022_Rotational_Deformation_of_Neutron_Stars

            Zelfs bij zwarte gaten ziet een stilstaande variant er anders uit dan een roterende (wat uit de wiskunde blijkt, zie Kerr-metriek).

    • Olaf van Kooten zegt

      Geluid kan zich ook in een vloeistof voortbewegen en aangezien de quarkmaterie een soort quark-gluonplasma zal zijn kan deze materie als een soort van supervloeistof beschouwd worden.

      • Enceladus Enceladus zegt

        Oké, dank voor je antwoord. Blijft de vraag wat de geluidsbron zou kunnen zijn. En meteen een nieuwe vraag: wat gebeurt er met geluid dat aan de grens van quarkmaterie komt? Stuit dat als het ware op een grens en wordt het teruggekaatst?

        groet,
        Gert (Enceladus)

        • wouter zegt

          Geluidsgolven worden door zo’n overgang tussen twee media (met verschillende geluidssnelheid) deels gereflecteerd en deels doorgelaten. Ook kunnen ze van richting veranderen (refractie). Een en ander hangt af van hoe groot het verschil in geluidssnelheid is en de hoek die de geluidsgolven hebben ten opzichte van de overgang.
          Tenminste, zo is het bij de alledaagse geluidsgolven die we kennen. Kan me best voorstellen dat er relativistische effecten zijn en misschien ook wel andere exotische fenomenen. Een quark-gluon plasma is volgens mij ook een supervloeistof, Die hebben allerlei rare eigenschappen. Geen idee wat dat met geluid doet.

        • “wat gebeurt er met geluid dat aan de grens van quarkmaterie komt?”

          De golven kaatsten terug. Ze worden minder want de energie van de golf gaat in de deeltjes zitten, als warmte. Dit is in elk geval hoe geluidsgolven zich in het algemeen gedragen, de energie kan niet zomaar verdwijnen.
          Wellicht is er ook interactie met de rotatie, net zoals aardbevingen dat met de aarde doen.

          • Het antwoord van Wouter is beter. Ik begreep de vraag op de verkeerde manier.

            Sidenote: diamand, June? Echt waar? (diamant…)

      • Olaf van Kooten zegt

        Tsja, goeie vraag! June heeft trouwens ook een goed antwoord geschreven: geluid kan zich in principe door alles voortbewegen en “geluid” in een neutronenster zouden we niet kunnen horen zelfs als we er zouden kunnen leven (wat natuurlijk niet zo is). Geluid is immers een soort van dichtheidsgolf.

Speak Your Mind

*

Deze website gebruikt Akismet om spam te verminderen. Bekijk hoe je reactie-gegevens worden verwerkt.

%d bloggers liken dit: