Voor het eerst hebben wetenschappers zwaartekrachtgolfmetingen, telescoopobservaties en botsingen van goudatomen in deeltjesversnellers gecombineerd, om de eigenschappen van het extreem compacte materiaal in neutronensterren in kaart te brengen.

Neutronensterren zijn de kleine compacte overblijfselen van geëxplodeerde zware sterren, die minimaal tien maal de massa van de zon hadden. De materie in deze sterren zit zo dicht op elkaar gepakt dat er geen atomen bestaand uit een kern en elektronen meer zijn. Die zijn samengeperst tot ongeladen kerndeeltjes genaamd neutronen. Een theelepeltje neutronenstermateriaal weegt miljoenen tonnen, evenveel als een flinke berg.

Over dit neutronenspul is nog veel onbekend. ‘Hoe dieper je afdaalt in het binnenste van een neutronenster, hoe hoger de dichtheid wordt. Het is lastig om te bepalen hoe de materie er dan uitziet en zich gedraagt’, vertelt natuurkundige Peter Pang van de Universiteit Utrecht en een van de eerste auteurs van het nieuwe onderzoek dat verscheen in vakblad Nature. ‘Niet alleen omdat we zulke hoge dichtheden niet kunnen nabootsen op aarde, maar ook omdat het lastig is om dit theoretisch te berekenen.’

Op zoek naar de hoplossing
LEES OOK
Op zoek naar de hoplossing

Zwaartekrachtgolven

Om de eigenschappen van dit mysterieuze spul te achterhalen, hebben astronomen en natuurkundigen voor het eerst waarnemingen van deeltjesbotsingen gecombineerd met zwaartekrachtgolfmetingen uit 2017 en 2019. Beide maten rimpelingen in de ruimtetijd die ontstonden door botsende neutronensterren.

Dieze gegevens combineerden ze met metingen van botsende geladen goudatomen, van de deeltjesversneller bij het Duitse onderzoeksinstituut GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt. Hierbij worden dichtheden bereikt die ruim anderhalf keer hoger zijn dan de dichtheid in een atoomkern. Dat haalt het nog lang niet bij neutronensterren, maar het helpt wel om de theoretische modellen te verbeteren.

Tenslotte haalden de onderzoekers er ook metingen bij van telescopen, zoals de NICER-telescoop aan boord van het ruimtestation ISS. Zo verzamelden ze informatie over acht neutronensterren. ‘Alles wat we konden gebruiken om de compacte neutronenmaterie te onderzoeken, is ook gebruikt’, zegt Chris Van Den Broeck, van de Universiteit Utrecht en Nikhef.

Neutronenmaterie

Uit de analyse van de gecombineerde metingen blijkt dat een neutronenster met 1,4 keer de massa van de zon een doorsnee heeft van 24 kilometer, vergelijkbaar met de stad Rotterdam. Dit getal komt overeen met eerder schattingen, maar het is nauwkeuriger.

Verder maakten de onderzoekers een schatting van de stijfheid van de neutronenmaterie. ‘De NICER-waarnemingen vertelden ons dat het materiaal stijver is dan we hadden verwacht’, zegt Pang. ‘Dit bleek wel overeen te komen met de metingen aan goudbotsingen in de deeltjesversneller.’

Het meest verrassende van de analyse was volgens Pang hoe goed de bevindingen van de verschillende metingen overeenkomen. ‘De deeltjesbotsingsmetingen vertonen opmerkelijke consistentie met de astrofysische waarnemingen, ook al zijn ze verkregen met totaal verschillende meetmethoden.’

Game changer

Echt verrassend zijn de resultaten dus niet. Maar deze analyse is pas het begin. ‘Hiermee leggen we de basis voor het komende werk’, aldus Van Den Broeck. Het doel was ook om uit te vinden hoe je dergelijke metingen combineert, zodat in de toekomst nieuwe waarnemingen van de LHC-deeltjesversneller bij CERN in Genève en van de toekomstige zwaartekrachtgolvendetector, de Einstein Telescope toegevoegd kunnen worden.

‘Met die extra waarnemingen kunnen we vaststellen wat precies de eigenschappen zijn van het materiaal in neutronensterren’, zegt Pang.

Nu kunnen de onderzoekers enkel iets zeggen over de druk en dichtheid. Maar er valt nog veel te ontdekken. Zo is het materiaal een vloeistof, waarvan de viscositeit, ofwel de stroperigheid, en de geleidbaarheid ook bepaald kunnen worden. Van den Broeck: ‘Ik denk dat het combineren van toekomstige metingen echt een game-changer gaat worden.’