Fusionerende neutronstjerner:Hvordan kosmiske begivenheder giver indsigt i grundlæggende egenskaber ved stof

Muligheden for at måle gravitationsbølgerne af to fusionerende neutronstjerner kunne give svar på nogle af de grundlæggende spørgsmål om stofets struktur. Ved de ekstremt høje temperaturer og tætheder i fusionen, forskere har formodet en faseovergang, hvor neutroner opløses i deres kvarker og gluoner. I det aktuelle nummer af Fysisk gennemgangsbreve , to internationale forskningsgrupper rapporterer om deres beregninger af, hvordan signaturen af ​​en sådan faseovergang i en gravitationsbølge ville se ud.

Quarks, stofets mindste byggesten vises aldrig alene i naturen. De er altid tæt bundet inde i protoner og neutroner. Imidlertid, neutronstjerner, der vejer lige så meget som solen, men er lige på størrelse med en by som Frankfurt, besidder en kerne så tæt, at der kan forekomme en overgang fra neutronstof til kvarkstof. Fysikere omtaler denne proces som en faseovergang, ligner væske-damp-overgangen i vand. I særdeleshed, sådan en faseovergang er, i princippet, muligt ved sammenlægning af neutronstjerner til et meget massivt metastabilt objekt med densiteter, der overstiger atomkernenes og med temperaturer 10, 000 gange højere end i solens kerne.

Måling af gravitationsbølger udsendt ved sammenlægning af neutronstjerner kan tjene som budbringer af mulige faseovergange i det ydre rum. Faseovergangen bør efterlade en karakteristisk signatur i gravitationsbølgesignalet. Forskningsgrupperne fra Frankfurt, Darmstadt og Ohio (Goethe University/FIAS/GSI/Kent University) samt fra Darmstadt og Wroclaw (GSI/Wroclaw University) brugte moderne supercomputere til at beregne, hvordan denne signatur kunne se ud. Til dette formål, de brugte flere teoretiske modeller af faseovergangen.

Hvis en faseovergang finder sted mere efter den faktiske fusion, små mængder kvarker vil gradvist blive vist i det fusionerede objekt. "Ved hjælp af Einstein -ligningerne, vi var i stand til for første gang at vise, at denne subtile ændring i strukturen vil producere en afvigelse i gravitationsbølgesignalet, indtil den nydannede massive neutronstjerne kollapser under sin egen vægt for at danne et sort hul, "forklarer Luciano Rezzolla, som er professor i teoretisk astrofysik ved Goethe -universitetet.

I computermodellerne til Dr. Andreas Bauswein fra GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung i Darmstadt sker der allerede en faseovergang direkte efter fusionen - en kerne af kvarkstof dannes i det indre objekts indre. "Det lykkedes os at vise, at der i dette tilfælde vil være et tydeligt skift i frekvensen af ​​gravitationsbølgesignalet, "siger Bauswein." Således, vi identificerede et målbart kriterium for en faseovergang i gravitationsbølger af neutronstjernefusioner i fremtiden. "

Ikke alle detaljerne i gravitationsbølgesignalet er målbare med strømdetektorer endnu. Imidlertid, de vil blive observerbare både med den næste generation af detektorer, samt med en fusionsbegivenhed relativt tæt på os. En komplementær tilgang til at besvare spørgsmålene om kvarkmateriale tilbydes af to eksperimenter:Ved at kollidere tunge ioner ved det eksisterende HADES -setup på GSI og ved den fremtidige CBM -detektor på Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR), som i øjeblikket er under opførelse hos GSI, komprimeret nukleart stof vil blive produceret. I sammenstødene, det kan være muligt at skabe temperaturer og tætheder, der ligner dem i en fusion mellem neutronstjerner. Begge metoder giver ny indsigt i forekomsten af ​​faseovergange i nukleart stof og dermed i dets grundlæggende egenskaber.