Site pictogram Astroblogs

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

FacebookTwitterMastodonTumblrShare
Mobiele versie afsluiten