Sort hul eller intet sort hul:Om resultatet af neutronstjernekollisioner

En ny undersøgelse ledet af GSI-forskere og internationale kolleger undersøger dannelse af sorte huller i neutronstjernefusioner. Computersimuleringer viser, at egenskaberne ved tætte nukleare stoffer spiller en afgørende rolle, som direkte forbinder den astrofysiske fusionshændelse med kraftige ionkollision-eksperimenter på GSI og FAIR. Disse ejendomme vil blive undersøgt mere præcist på den fremtidige FAIR -facilitet. Resultaterne er nu blevet offentliggjort i Fysisk gennemgangsbreve . Med tildelingen af ​​Nobelprisen i fysik i 2020 for den teoretiske beskrivelse af sorte huller og for opdagelsen af ​​et supermassivt objekt i midten af ​​vores galakse, emnet får i øjeblikket også stor opmærksomhed.

Men under hvilke forhold dannes der egentlig et sort hul? Dette er det centrale spørgsmål om en undersøgelse ledet af GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung i Darmstadt inden for et internationalt samarbejde. Ved hjælp af computersimuleringer, forskerne fokuserer på en bestemt proces til dannelse af sorte huller, nemlig sammensmeltning af to neutronstjerner.

Neutronstjerner består af stærkt komprimeret tæt stof. Massen på halvanden solmasse presses til en størrelse på kun få kilometer. Dette svarer til lignende eller endda højere densiteter end i det indre af atomkerner. Hvis to neutronstjerner smelter sammen, sagen komprimeres yderligere under kollisionen. Dette bringer fusionsresten på randen til at kollapse til et sort hul. Sorte huller er de mest kompakte objekter i universet, selv lys kan ikke undslippe, så disse objekter kan ikke observeres direkte.

"Den kritiske parameter er den totale masse af neutronstjernerne. Hvis den overskrider en vis tærskel, er kollaps til et sort hul uundgåeligt, "opsummerer Dr. Andreas Bauswein fra GSI teoriafdelingen. Imidlertid, den nøjagtige tærskelmasse afhænger af egenskaberne af stærkt tæt nukleart stof. I detaljer er disse egenskaber ved højdensitetsmateriale stadig ikke fuldstændigt forstået, derfor støder forskningslaboratorier som GSI på atomkerner - som en fusion af neutronstjerner, men i meget mindre skala. Faktisk, tungion-kollisionerne fører til meget lignende forhold som fusioner af neutronstjerner. Baseret på teoretiske udviklinger og fysiske tungionforsøg, det er muligt at beregne visse modeller af neutronstjernemateriale, såkaldte statsligninger.

Brug af mange af disse statsligninger, den nye undersøgelse beregnede tærskelmassen for dannelse af sorte huller. Hvis neutronstjerne betyder eller nukleart stof, henholdsvis, er let komprimerbar - hvis tilstandsligningen er 'blød' - fører allerede fusionen en relativt let neutronstjerne til dannelsen af ​​et sort hul. Hvis nukleart stof er 'stivere' og mindre komprimerbart, resten er stabiliseret mod det såkaldte tyngdekraftsstyrt, og der dannes en massiv roterende neutronstjernerest fra kollisionen. Derfor, selve tærskelmassen for sammenbrud informerer om egenskaber ved stof med høj densitet. Den nye undersøgelse afslørede endvidere, at tærsklen til at kollapse endda kan tydeliggøre, om nukleon under kollisionen opløses i deres bestanddele, kvarkerne.

"Vi er meget begejstrede for disse resultater, fordi vi forventer, at fremtidige observationer kan afsløre tærskelmassen, "tilføjer professor Nikolaos Stergioulas fra fysikafdelingen ved Aristoteles -universitetet i Thessaloniki i Grækenland. For kun få år siden blev en neutronstjernefusion observeret for første gang ved måling af gravitationsbølger fra kollisionen. Teleskoper fandt også det elektromagnetiske modstykke og detekterede lys fra fusionen. Hvis der dannes et sort hul direkte under kollisionen, fusionens optiske emission er temmelig svag. Dermed, observationsdataene angiver, om der er skabt et sort hul. På samme tid bærer gravitationsbølgesignalet information om systemets samlede masse. Jo mere massive stjernerne jo stærkere er gravitationsbølgesignalet, som dermed muliggør bestemmelse af tærskelmassen.

Mens gravitationsbølgedetektorer og teleskoper venter på de næste neutronstjernefusioner, kurset sættes i Darmstadt for viden, der er endnu mere detaljeret. Den nye acceleratorfacilitet FAIR, i øjeblikket under opbygning hos GSI, vil skabe betingelser, som endnu mere ligner dem i neutronstjernefusioner. Endelig, kun kombinationen af ​​astronomiske observationer, computersimuleringer og tung-ion-eksperimenter kan løse spørgsmålene om materiens grundlæggende byggesten og deres egenskaber, og, med dette, de vil også præcisere, hvordan sammenbruddet til et sort hul opstår.