Wat zit er in een neutronenster? Inkoppertje, zou je zeggen: neutronen. Maar het ligt gecompliceerder dan dat. Het binnenste van de zwaarste exemplaren bevat hoogstwaarschijnlijk zogenoemde quarkmaterie, wijst een nieuwe studie uit.
Neutronensterren onderzoeken is een lastige klus. Sowieso kun je er niet een opensnijden om te zien hoe hij is opgebouwd. Maar ook de neutronensterrendata die het heelal op ons afstuurt, leveren ons tot nog toe weinig duidelijkheid. Toch biedt een team van wetenschappers onder leiding van natuurkundige Aleksi Vourinen (Universiteit van Helsinki) ons nu toch een kijkje in het binnenste van deze extreme objecten. Daar zou, althans bij neutronensterren die ongeveer twee keer zoveel wegen als de zon, een al even extreme vorm van materie te vinden zijn.
Vrije quarks en gluonen
Hoe dan ook zijn neutronensterren bijzondere astronomische objecten. Om te beginnen zijn het eigenlijk geen sterren, maar de overblijfselen van zware sterren die als supernova zijn geëxplodeerd. Als dat gebeurt, houd je óf een zwart gat over, óf een compact balletje met een diameter van zo’n 20 kilometer: een neutronenster.
‘Als we iets buitenaards ontmoeten, dan is het een machine’
Oude sterren en pril leven – dat zijn de onderwerpen waar het hart van sterrenkundige Leen Decin harder van gaat kloppen.
Zoals de naam al zegt, bestaat zo’n neutronenster voor een groot deel uit neutronen. Deze ‘sterren’ hebben namelijk zo’n extreem hoge dichtheid, dat protonen en elektronen er worden samengeperst tot neutronen.
In het hart van een neutronenster zou echter nóg iets gekkers te vinden kunnen zijn: quarkmaterie. Dat is een vorm van materie waarbij de bouwstenen van protonen en neutronen, quarks genaamd, vrij voorkomen, samen met gluonen – de deeltjes die normaal gesproken de lijm vormen tussen de quarks.
Geluidssnelheid
De vraag is alleen: hoe achterhaal je of die quarkmaterie er daadwerkelijk is? In principe kan dat met zwaartekrachtsgolven die ontstaan als twee neutronensterren samengaan, zegt natuurkundige Sarah Caudill van het instituut Nikhef. ‘Helaas kunnen de huidige detectors de details van zulke botsingen niet goed zien, en dat is nou juist waar de écht belangrijke informatie in verscholen ligt.’
Totdat we betere detectors hebben gebouwd, zullen we dus onze toevlucht moeten nemen tot een andere methode – zoals die van Vourinen en collega’s. Centraal in hun methode staat de geluidssnelheid. Uit theoretische modellen blijkt namelijk dat die zich heel verschillend gedraagt in materie die puur uit neutronen bestaat dan in quarkmaterie. In het eerste geval kan ie enorm variëren, in het tweede geval heeft ie een constante waarde.
Door astrofysische waarnemingen te combineren met theoretische berekeningen, hebben Vourinen en zijn team nu uitgezocht onder welke omstandigheden je het één, en onder welke omstandigheden je het ander zou verwachten. Hun resultaat: de kern van een ‘gewone’ neutronenster, die 1,4 keer zoveel weegt als de zon, bestaat voornamelijk uit neutronen. Maar in de zwaarst bekende neutronensterren – die circa twee keer de massa van de zon hebben – mogen we een kern van quarkmaterie verwachten.
Stijfheid
Hoewel zwaartekrachtsgolven ons zoals gezegd weinig kunnen vertellen over het binnenste van neutronensterren, hebben de onderzoekers ze toch weten te benutten. ‘De studie gebruikt informatie over de toegestane stijfheid van neutronensterren die afkomstig is van de detectie van zwaartekrachtsgolven van samensmeltende neutronensterren’, zegt Caudill. ‘Dat is een bijzondere toepassing van die informatie. Het lag niet voor de hand dat je met deze beperking van de stijfheid iets zou kunnen zeggen over het bestaan van quarkkernen in zware neutronensterren.’
Wel merkt Caudill op dat de studie niet volledig uitsluit dat zware neutronen tóch bestaan uit hetzelfde spul als hun lichtere soortgenoten. De onderzoekers onderkennen die mogelijkheid ook, maar, zo zegt Vourinen in een persbericht: dan zou de aanwezige materie ‘zich wel héél raar moeten gedragen. Dan zou bijvoorbeeld de geluidssnelheid bijna gelijk moeten zijn aan die van het licht.’
Toegegeven: dat klinkt inderdaad raar. Aan de andere kant: raar zijn neutronensterren hoe dan ook. De vraag is hoe bont ze het precies maken.
