illustration zeigt den Querschnitt eines Neutronensterns aus Quarkmaterie (Bildnachweis: Jyrki Hokkanen/CSC)
Wissenschaftler sind dem Geheimnis, was sich tief unter der Oberfläche toter, ultradichter Sterne, so genannter Neutronensterne, befindet, vielleicht näher als je zuvor.
Eine neue Supercomputer-Analyse von Neutronensternen hat ergeben, dass die Wahrscheinlichkeit, dass diese Körper Kerne mit freien Quarks haben, zwischen 80 und 90 % liegt. Quarks sind fundamentale, subatomare Teilchen, die normalerweise nur in anderen Teilchen wie Protonen und Neutronen gebunden sind.
Protonen und Neutronen selbst bilden die Atomkerne, um die sich die Elektronen befinden. Doch wenn die Kerne von Neutronensternen tatsächlich voller freier Quarks sind, bestehen sie laut dem Team aus einer exotischen Form von Materie, die als „kalte Quark-Materie“ bekannt ist. Und in kalter Quark-Materie können einzelne Protonen und Neutronen nicht existieren. Atome können also nicht existieren. Nur die Quarks.
Wenn das stimmt, dann sind Neutronensterne so etwas wie unglaublich große Atomkerne.
„Es ist faszinierend zu sehen, wie jede neue Beobachtung von Neutronensternen es uns ermöglicht, die Eigenschaften der Materie von Neutronensternen mit zunehmender Präzision zu bestimmen“, sagte der Hauptautor der Studie, Joonas Nättilä, der demnächst eine Professur an der Universität Helsinki übernehmen wird, in einer Erklärung.
Neutronensterne entstehen, wenn Sternen mit einer 10- bis 20-fachen Sonnenmasse der Brennstoff ausgeht, der für die in ihrem Kern stattfindende Kernfusion erforderlich ist. Dies führt dazu, dass die nach außen gerichtete Energie, die den Stern über Millionen oder sogar Milliarden von Jahren gegen den inneren Druck seiner eigenen Schwerkraft stabil gehalten hat, nicht mehr vorhanden ist.
Da die Schwerkraft in diesem kosmischen Tauziehen der Sieger ist, beginnt der Kern eines Sterns zu kollabieren. Dabei wird das äußere Material des Sterns, in dem noch Kernfusion stattfindet, in einer gewaltigen Supernova-Explosion weggesprengt.
Dabei wird der Sternkern mit einer Masse, die ein- bis zweimal so groß wie die der Sonne ist, auf eine Breite von nur etwa 20 Kilometern verdichtet.
Durch diese massive Verkleinerung des jetzigen Neutronensterns entsteht Materie, die so dicht ist, dass ein zuckerwürfelgroßer Block davon etwa 1 Milliarde Tonnen wiegen würde, wenn er auf die Erde gebracht würde. Das ist ein Würfelzucker, der so viel wiegt wie 3.000 Empire State Buildings.
Die Frage ist also: Woraus besteht diese unglaublich exotische Materie, die es wahrscheinlich nirgendwo sonst im Universum gibt? Und ganz allgemein: Können die Bedingungen in den dichtesten Regionen dieser toten Sterne wirklich eine völlig neue Materiephase namens kalte Quarkmaterie ohne Protonen und Neutronen hervorbringen?
Wissenschaftler können Neutronensterne nicht besuchen, um eine Probe dieser Materie zu erhalten; selbst die nächstgelegenen Neutronensterne sind rund 400 Lichtjahre entfernt, so dass die nächstbeste Möglichkeit darin besteht, die Bedingungen unter der Oberfläche der Sterne mithilfe einer leistungsstarken Kombination aus aktuellen astronomischen Daten und Supercomputern zu simulieren.
Diese neue Forschung nutzte eine Art der statistischen Deduktion, die so genannte Bayes’sche Inferenz, bei der die Wahrscheinlichkeit verschiedener Modellparameter durch direkte Vergleiche mit Beobachtungsdaten berechnet wird.
Auf diese Weise konnte das Team die Grenzen für Neutronensternmaterie bestimmen und mit hoher Wahrscheinlichkeit auf das Vorhandensein von kalter Quarkmaterie schließen. Der Mechanismus deutet auch darauf hin, dass in Neutronensternen ein „nicht-nuklearer“ Zustand der Materie existiert, in dem Quarks in Protonen, Neutronen und anderen Teilchen „dekonfiniert“ existieren können.
„Die Quarks und Gluonen, aus denen sie bestehen, werden stattdessen aus ihrem typischen Farbeinschluss befreit und können sich fast frei bewegen“, so Aleksi Vuorinen, Professor für theoretische Physik an der Universität Helsinki, in der Erklärung.
Die Supercomputer-Simulationen des Teams deuten auch auf eine Wahrscheinlichkeit von weniger als 20 % hin, dass die Materie innerhalb von Neutronensternen einen schnellen Zustandswechsel von Kernmaterie zu „Quarkmaterie“ erfährt, fast so, als würde Wasser zu Eis werden. Eine solche schnelle Veränderung der Materie könnte Neutronensterne so destabilisieren, dass selbst eine winzige Quarkmaterie kollabiert und ein Schwarzes Loch entsteht.
Die Forschungen ergaben auch, dass die Existenz von Quark-Materie-Kernen in Zukunft durch weitere Analysen vollständig bestätigt werden könnte.
Der Schlüssel dazu wäre die Bestimmung der Stärke des Phasenübergangs von Kernmaterie zu Quarkmaterie, was möglich sein könnte, wenn Gravitationswellendetektoren empfindlich genug werden, um winzige Wellen in der Raumzeit zu „hören“, die vom letzten Moment vor der Kollision zweier umeinander kreisender Neutronensterne herrühren.
Doch selbst mit verbesserten Beobachtungsdaten werden bessere Modelle von Neutronensternkernen immer noch eine enorme Menge an Rechenleistung und Zeit erfordern.
„Wir mussten Millionen von CPU-Stunden an Supercomputerzeit aufwenden, um unsere theoretischen Vorhersagen mit den Beobachtungen zu vergleichen und die Wahrscheinlichkeit von Quark-Materie-Kernen einzuschränken“, sagte Joonas Hirvonen, Teammitglied und Doktorand an der Universität Helsinki, in der Erklärung.
Die Forschungsergebnisse des Teams wurden im Dezember in der Zeitschrift Nature Communications veröffentlicht.
