Tientallen jaren lang hebben natuurkundigen getheoretiseerd over het bestaan van exotische materie in neutronensterren – overblijfselen van ingestorte sterren die zo compact zijn dat de zwaartekracht atomen in hun fundamentele componenten verplettert. Nu suggereert nieuw onderzoek dat we binnenkort het bestaan van deze materie, die voor het laatst bestond kort na de oerknal, binnenkort kunnen bevestigen door de subtiele vervormingen te analyseren in zwaartekrachtgolven die worden uitgezonden door samensmeltende neutronensterren.
De extreme natuurkunde van neutronensterren
Neutronensterren behoren tot de dichtste objecten in het heelal. Ze worden gevormd wanneer massieve sterren sterven tijdens supernova-explosies en bundelen de massa van onze zon in een bol die ongeveer zo groot is als een stad. Deze extreme dichtheid verplettert protonen en elektronen samen en vormt neutronen. Maar dieper in deze stellaire overblijfselen kan de zwaartekracht zo immens groot zijn dat zelfs neutronen uiteenvallen in hun samenstellende quarks en gluonen, waardoor een toestand van materie ontstaat die quark-gluonplasma wordt genoemd.
Dit plasma is belangrijk omdat het dezelfde toestand van materie is die bestond tijdens de vroegste momenten van het universum, fracties van een seconde na de oerknal. Het vinden ervan in neutronensterren zou ons een uniek laboratorium opleveren voor het bestuderen van omstandigheden die op aarde onmogelijk te reproduceren zijn, behalve in deeltjesversnellers.
Hoe zwaartekrachtgolven de sleutel vormen
De sleutel tot het ontrafelen van dit mysterie ligt in het observeren van binaire neutronensterren – paren van deze stellaire lijken die naar elkaar toe draaien. Naarmate ze dichter bij elkaar komen, vervormt hun intense zwaartekracht elkaar, waardoor rimpelingen in de ruimtetijd ontstaan die zwaartekrachtgolven worden genoemd. Onderzoekers geloven nu dat deze golven een verborgen afdruk van de interne structuur van de neutronensterren met zich meedragen.
Het team, onder leiding van Nicolás Yunes van de Universiteit van Illinois en Abhishek Hegade van de Princeton Universiteit, heeft een theoretisch raamwerk ontwikkeld om deze afdruk te ontcijferen. Het idee is dat de getijdenkrachten tussen de neutronensterren trillingen in hun kernen veroorzaken, zoals het rinkelen van een bel. De frequentie van deze trillingen is ingebed in de zwaartekrachtgolven.
Theoretische hindernissen overwinnen
Een grote uitdaging is het verklaren van de energie die verloren gaat door zwaartekrachtgolven zelf. De Newtoniaanse natuurkunde biedt een complete reeks trillingsmodi voor objecten, maar de algemene relativiteitstheorie maakt de zaken ingewikkeld. Yunes en Hegade hebben dit opgelost door elke neutronenster afzonderlijk te behandelen en de invloed van zijn begeleider als een externe kracht te berekenen. Ze ontdekten dat ze, door het probleem op kleinere schalen op te splitsen, nauwkeurig de volledige reeks trillingsmodi en hun invloed op zwaartekrachtgolven konden beschrijven.
“We hebben twee belangrijke dingen laten zien”, zei Hegade. “Ten eerste konden we de straling aftrekken, waarbij we ontdekten dat de modi van een neutronenster inderdaad een complete set vormen. Ten tweede ontdekten we dat als je een bepaalde reeks vergelijkingen consequent oplost met behulp van een getijdenveld dat voldoende ‘glad’ is, dit een oplossing is voor het inwendige van een ster, en dat je in de algemene relativiteitstheorie allemaal dezelfde dingen kunt doen als in de Newtoniaanse zwaartekracht.’
De toekomst van onderzoek naar neutronensterren
Hoewel dit werk momenteel theoretisch is, zou de volgende generatie zwaartekrachtgolfdetectoren, zoals de voorgestelde Cosmic Explorer en Einstein Telescope, binnenkort gevoelig genoeg kunnen zijn om deze subtiele vervormingen te detecteren. Als dit lukt, zou dit een venster kunnen openen op de extreme fysica van neutronensterren en een kijkje kunnen bieden in de omstandigheden die het vroege universum vormden.
Het begrijpen van het interieur van neutronensterren gaat niet alleen over fundamentele natuurkunde. Het helpt ons ons begrip van de zwaartekracht, materie met extreme dichtheden en de oorsprong van ons universum te verfijnen. De komende jaren beloven een spannende tijd te worden voor dit vakgebied.
