Neutronensterren zijn ongelooflijk compacte objecten die zich kunnen vormen na de dood van een ster. Er is echter weinig bekend over hun interieur. Sinds hun ontdekking hebben wetenschappers geprobeerd hun structuur te ontcijferen.
Omdat ze op aarde nauwelijks in een laboratorium kunnen worden nagebootst, is het grootste obstakel het simuleren van de erbarmelijke omstandigheden in neutronensterren. Als gevolg hiervan zijn er tal van modellen waarin verschillende attributen, zoals temperatuur en dichtheid, worden gedefinieerd met behulp van zogenaamde toestandsvergelijkingen. Deze vergelijkingen proberen de structuur van neutronensterren te karakteriseren vanaf het oppervlak van de ster tot aan de binnenste kern.
Nu natuurkundigen op Goethe University Frankfurt zijn erin geslaagd andere cruciale stukjes aan de puzzel toe te voegen. Ze hebben meer dan een miljoen toestandsvergelijkingen ontwikkeld die voldoen aan de eisen die enerzijds worden gesteld door gegevens uit de theoretische kernfysica en anderzijds door astronomische waarnemingen.
Toen ze de toestandsvergelijkingen evalueerden, vonden natuurkundigen iets verrassends: "Licht" neutronensterren (met massa's kleiner dan ongeveer 1.7 zonsmassa's) lijken een zachte mantel en een stijve kern te hebben, terwijl "zware" neutronensterren (met massa's groter dan 1.7 zonsmassa's) in plaats daarvan een stijve mantel en een zachte kern hebben.
Prof. Luciano Rezzolla zei: “Dit resultaat is erg interessant omdat het ons een directe maatstaf geeft van hoe samendrukbaar het centrum van neutronensterren kan zijn. Neutronensterren gedragen zich een beetje als chocoladepralines: lichtsterren lijken daar op chocolade met een hazelnoot in het midden omgeven door zachte chocolade, terwijl zware sterren meer kunnen worden beschouwd als die chocolaatjes waar een harde laag een zachte vulling bevat.
De snelheid van het geluid is cruciaal voor dit inzicht. Deze kwantitatieve maatstaf, die afhankelijk is van hoe stijf of flexibel de materie is, beschrijft de snelheid waarmee geluidsgolven bewegen binnen een item. Op aarde worden olievoorraden gevonden en de binnenkant van de planeet wordt onderzocht met behulp van de snelheid van het geluid.
De wetenschappers konden ook aanvullende, voorheen onontdekte kenmerken van neutronensterren identificeren door de toestandsvergelijkingen te modelleren. Ze hebben bijvoorbeeld hoogstwaarschijnlijk een straal van slechts 12 kilometer, ongeacht hun massa. Ze hebben dezelfde omtrek als Frankfurt.
Auteur dr. Christian Ecker legt uit: "Onze uitgebreide numerieke studie stelt ons niet alleen in staat om voorspellingen te doen voor de stralen en maximale massa's van neutronensterren, maar ook om nieuwe grenzen te stellen aan hun vervormbaarheid in binaire systemen, dat wil zeggen, hoe sterk ze elkaar vervormen door hun zwaartekrachtsvelden. Deze inzichten zullen vooral belangrijk worden om de onbekende toestandsvergelijking vast te stellen met toekomstige astronomische waarnemingen en detecties van zwaartekrachtgolven van samensmeltende sterren."
Tijdschriftreferenties:
- Sinan Altiparmak, Christian Ecker, Luciano Rezzolla: over de geluidssnelheid in neutronensterren. De astrofysische journaalbrieven (2022) DOI: 10.3847/2041-8213/ac9b2a
- Christian Ecker & Luciano Rezzolla: Een algemene, schaalonafhankelijke beschrijving van de geluidssnelheid in neutronensterren. De astrofysische journaalbrieven (2022) DOI: 10.3847/2041-8213/ac8674
