Nieuw instrument gebruikt zwaartekrachtgolven om binnen neutronensterren te isotoop

Stel je voor dat je een ster neemt die twee keer zo zwaar is als de zon en deze verplettert tot de grootte van Manhattan. Het resultaat zal zijn neutronenster– een van de dichtste objecten die overal in het universum te vinden zijn. In feite overtreft het de dichtheid van alle natuurlijk voorkomende stoffen op aarde met een factor tientallen biljoenen. Hoewel neutronensterren op zichzelf al fascinerende astrofysische objecten zijn, kunnen ze door hun extreme dichtheid ook dienen als laboratoria voor het bestuderen van fundamentele vragen van de kernfysica, onder omstandigheden die op aarde nooit zouden kunnen worden gereproduceerd.

Door deze vreemde omstandigheden begrijpen wetenschappers nog steeds niet precies waar neutronensterren zelf van gemaakt zijn, de zogenaamde “equation of state” (EoS). Het bepalen hiervan is het hoofddoel van modern astrofysisch onderzoek. Twee onderzoekers van het Institute for Advanced Study (IAS) hebben een nieuw stukje van de puzzel ontdekt dat het scala aan mogelijkheden beperkt: Caroline Raethel, John N. Bahkal Fellow in het College of Natural Sciences; En Elias Most, schoollid en John A. Wheeler V[{” attribute=””>Princeton University. Their paper was published recently in The Astrophysical Journal Letters.

Neutron star merger and the gravity waves it produces. Credit: NASA/Goddard Space Flight Center

Ideally, astrophysicists would like to look inside these exotic objects, but they are too small and distant to be imaged with standard telescopes. Researchers instead rely on indirect properties that they can measure—such as the mass and radius of a neutron star—to calculate the EoS. This is much like how one might use the length of two sides of a right-angled triangle to work out its hypotenuse. However, one issue here is that the radius of a neutron star is very difficult to measure precisely. A promising alternative for future observations is to instead use a quantity called the “peak spectral frequency” (or f₂) in its place.

But how is f₂ measured? Collisions between neutron stars, which are governed by the laws of Einstein’s Theory of Relativity, lead to strong bursts of gravitational wave emission. In 2017, scientists directly measured such emissions for the first time. “At least in principle, the peak spectral frequency can be calculated from the gravitational wave signal emitted by the wobbling remnant of two merged neutron stars,” says Most.

Verdoemde neutronensterren draaien hun ondergang tegemoet in deze animatie. Zwaartekrachtgolven (bleke bogen) buigen de orbitale energie af, waardoor sterren dichter bij elkaar komen en samensmelten. Wanneer sterren botsen, wordt een deel van het puin weggeblazen in stralen van deeltjes die bijna met de snelheid van het licht bewegen, waardoor een korte uitbarsting van gammastraling (paars) ontstaat. Naast de hypersonische jets die de gammastralen versterken, genereert de fusie ook langzamer bewegend puin. Accumulatie-gedreven uitstroom op het fusieresidu zendt snel vervagend ultraviolet (violet) licht uit. Een dichte wolk heet puin die vlak voor de botsing van neutronensterren is gestript, produceert zichtbaar en infrarood licht (blauw-wit tot rood). De schittering van ultraviolette, optische en nabij-infrarode stralen wordt gezamenlijk kilonova genoemd. Later, zodra de overblijfselen van het op ons gerichte vliegtuig zich in onze gezichtslijn verbreedden, werden röntgenstralen (blauw) onthuld. Deze animatie geeft fenomenen weer die tot negen dagen na GW170817 zijn waargenomen. aan hem toegeschreven:[{” attribute=””>NASA’s Goddard Space Flight Center/CI Lab

It was previously expected that f₂ would be a reasonable proxy for radius, since—until now—researchers believed that a direct, or “quasi-universal,” correspondence existed between them. However, Raithel and Most have demonstrated that this is not always true. They have shown that determining the EoS is not like solving a simple hypotenuse problem. Instead, it is more akin to calculating the longest side of an irregular triangle, where one also needs a third piece of information: the angle between the two shorter sides. For Raithel and Most, this third piece of information is the “slope of the mass-radius relation,” which encodes information about the EoS at higher densities (and thus more extreme conditions) than the radius alone.

This new finding will allow researchers working with the next generation of gravitational wave observatories (the successors of the currently operating LIGO) to better utilize the data obtained following neutron star mergers. According to Raithel, this data could reveal the fundamental constituents of neutron star matter. “Some theoretical predictions suggest that within neutron star cores, phase transitions could be dissolving the neutrons into sub-atomic particles called quarks,” stated Raithel. “This would mean that the stars contain a sea of free quark matter in their interiors. Our work may help tomorrow’s researchers determine whether such phase transitions actually occur.”

Reference: “Characterizing the Breakdown of Quasi-universality in Postmerger Gravitational Waves from Binary Neutron Star Mergers” by Carolyn A. Raithel and Elias R. Most, 13 July 2022, The Astrophysical Journal Letters.
DOI: 10.3847/2041-8213/ac7c75