Nature-paper werpt meer licht op het spul waar neutronensterren van zijn gemaakt

Onderzoekers van onder meer het Nationaal Instituut voor Subatomaire Fysica Nikhef en de Universiteit Utrecht hebben met een combinatie van kernbotsingen en zwaartekrachtsgolven scherper zicht gekregen op de eigenschappen van het uiterst compacte materiaal waarvan neutronensterren zijn gemaakt. Zij publiceren hun nieuwe inzichten deze week in het wetenschappelijk tijdschrift Nature.

Neutronensterren zijn de kleine en extreem dichte overblijfselen van ineengestorte zware sterren. De materie in deze vreemde objecten is door de zwaartekracht zo dicht opeengepakt dat in een relatief kleine bol alleen neutronen overblijven. Een theelepel van dit spul zou op aarde tonnen wegen.

Gegevens van versnellers

Astronomen en natuurkundigen proberen de eigenschappen van de neutronmaterie op papier en uit waarnemingen af te leiden. Om dit te doen heeft het onderzoeksteam, met onder andere Peter Pang (Universiteit Utrecht), nu voor het eerst twee soorten gegevens bij elkaar gebracht: waarnemingen van zwaartekrachtsgolven van neutronensterbotsingen, en metingen van deeltjesversnellers. Tsun Ho (Peter) Pang is gedeeld eerste auteur van de Nature-publicatie.

Het team gebruikte twee bestaande waarnemingen van botsende neutronensterren via zwaartekrachtsgolven, uit 2017 en 2019. In het licht dat vrijkwam bij de eerste botsing zagen ze dat daarbij sporen van zware metalen zoals goud ontstonden. Uit de golven konden de onderzoekers de massa en afmetingen van de botsende neutronensterren afleiden.

Rimpelingen in de ruimte-tijd

Zwaartekrachtsgolven zijn rimpelingen in het weefsel van ruimte en tijd, waarvan Einsteins relativiteitstheorie uit 1916 voorspelt dat ze mogelijk zijn als compacte objecten zoals neutronensterren of zwarte gaten op elkaar botsen. Dergelijke minuscule rimpelingen werden in 2015 voor het eerst gemeten door detectoren in de VS en Europa.

Een neutronenster met 1,4 maal de massa van de zon perst al zijn materie samen tot een bol met een diameter van ongeveer 24 kilometer.

Aan die waarnemingen voegden de onderzoekers gegevens uit de kernfysica toe: bestaande metingen van botsende goudkernen in laboratoria. Dergelijke botsingen zijn niet in staat om de reusachtige dichtheid van materie te produceren die in een neutronenster bestaat, maar ze comprimeren het kernmateriaal dichter dan in gewone materie, en ze blijken wel in staat om modellen voor neutronensterren aan te scherpen.

De gecombineerde metingen suggereren dat een neutronenster met 1,4 maal de massa van de zon al zijn materie samenperst tot een bol met een diameter van ongeveer 24 kilometer. Dit ligt dicht bij eerdere schattingen, maar is nauwkeuriger dankzij de combinatie van waarnemingen uit verschillende velden. Voor de analyse zijn ook gegevens gebruikt van NICER, een meetinstrument aan boord van het ISS-ruimstestation.

In de toekomst kunnen we de kloof tussen nucleaire theorie en astrofysische waarnemingen overbruggen.

De kloof overbruggen

Deze verbeterde dichtheidsschattingen uit zware-ionenbotsingen laten zien dat we de kloof tussen nucleaire theorie en astrofysische waarnemingen in de toekomst kunnen overbruggen, door elkaar aan te vullen, zegt prof. Chris Van Den Broeck, co-auteur van het Nature-paper voor de Universiteit Utrecht en Nikhef.

De onderzoekers verwachten dat in de toekomst nieuwe gegevens uit beide velden gemakkelijk gecombineerd kunnen worden om het begrip van extreem dichte materie verder te verbeteren. In het GSI-laboratorium in Darmstadt wordt momenteel het FAIR-experiment gebouwd, waarin dichtheden kunnen worden bereikt die vergelijkbaar zijn met de dichtheden die in neutronensterren voorkomen.