De materie in het binnenste van neutronensterren (ster-lijken met een gigantische dichtheid) is minder goed samen te drukken dan eerder werd gedacht. Een mondiaal samenwerkingsverband, geleid door onder anderen Anna Watts van de Universiteit van Amsterdam, komt tot die conclusie nadat ze met NASA’s Neutron star Interior Composition Explorer (NICER) de grootte en massa hebben bepaald van de zwaarste neutronenster die bekend is: PSR J0740+6620.
NICER is een röntgentelescoop aan boord van het Internationale Ruimtestation ISS. Het resultaat is geaccepteerd voor publicatie in het vaktijdschrift Astrophysical Journal Letters. Aan het eind van hun leven raakt de brandstof in de kern van zware sterren op, en klappen ze onder hun eigen gewicht in elkaar, voordat ze ontploffen als supernova. De allerzwaarste sterren blijven achter als zwarte gaten, de andere worden neutronensterren. Neutronensterren zijn extreme objecten: ze hebben meer massa dan de zon bij een doorsnee van enkele tientallen kilometers. Maar welke vorm neemt de materie aan in de binnenkern, waar de dichtheid extreem hoog is? De onderzochte pulsar PSR J0740+6620 (J0740 in het kort) bevindt zich op een afstand van ruim 3000 lichtjaar in de richting van het sterrenbeeld Giraffe. Het is een dubbelstersysteem met een witte dwerg, het afkoelende restant van een zonachtige ster, en roteert 346 keer per seconde om zijn eigen as. De massa wordt geschat op 2,1 keer de massa van de zon.
In traditionele modellen van een typische neutronenster, een ster met ongeveer 1,4 maal de massa van de zon, verwachten natuurkundigen dat de binnenkern grotendeels gevuld is met neutronen. De lagere dichtheid zorgt ervoor dat de neutronen ver genoeg uit elkaar blijven om intact te blijven, en deze innerlijke stijfheid resulteert in een grotere ster. In zwaardere neutronensterren zoals J0740 is de dichtheid van de binnenkern veel hoger, waardoor de neutronen dichter op elkaar worden gedrukt. Het is onduidelijk of neutronen onder deze omstandigheden intact kunnen blijven of dat ze in plaats daarvan in quarks uiteenvallen. Theoretici vermoeden dat ze door de druk versplinteren, maar er zijn nog veel vragen over de details. Om antwoorden te krijgen hebben wetenschappers een nauwkeurige meting nodig van de grootte van een zware neutronenster.
Om de precieze afmetingen te meten neemt NICER snel roterende neutronensterren waar: pulsars, die in 1967 zijn ontdekt door Jocelyn Bell Burnell. Pulsars hebben hete plekken op hun oppervlak die heldere röntgenstraling uitzenden. Als de pulsar roteert, draaien de vlekken in en uit het zicht, als de lichtbundels van een vuurtoren, en produceren regelmatige variaties in de röntgenhelderheid. Maar pulsars zijn ook zo dicht dat hun zwaartekracht de nabije ruimtetijd kromt als een bowlingbal die op een trampoline rust. Dezelfde massa in een kleinere verpakking veroorzaakt een grotere vervorming. Die vervorming is zo sterk dat licht van de verre kant van de ster kan worden omgeleid, waardoor de pulsar groter lijkt dan hij in werkelijkheid is. Dit effect kan zo intens zijn dat het voorkomt dat de hot spots volledig verdwijnen terwijl ze rond de pulsar draaien. NICER gebruikt deze effecten om de massa en de doorsnee van de ster nauwkeurig te meten.
Twee teams hebben verschillende benaderingen gebruikt om de grootte van J0740 te bepalen: een groep onder leiding van Thomas Riley en Anna Watts (respectievelijk postdoc en professor in de astrofysica aan de Universiteit van Amsterdam) en een team onder leiding van Cole Miller, hoogleraar astronomie aan de Universiteit van Maryland, College Park (VS). Naast de NICER-gegevens voor J0740 hebben beide groepen ook röntgenwaarnemingen met ESA’s XMM Newton-satelliet gedaan, die nuttig waren bij het corrigeren voor achtergrondruis. De twee teams schatten dat de pulsar ongeveer 25-27 km in doorsnee is. In 2019 gebruikten de twee teams NICER-gegevens om zowel de grootte als de massa te schatten voor PSR J0030+0451 (of J0030), een geïsoleerde pulsar op ongeveer 1100 lichtjaar afstand. Ze ontdekten dat hij ongeveer 1,4 keer zo zwaar is als de zon en een doorsnede heeft van 25-27 kilometer.
"Onze nieuwe metingen van J0740 laten zien dat hij, hoewel hij bijna 50% zwaarder is dan J0030, in wezen even groot is," zegt Watts. "Dat sluit enkele modellen voor neutronensterkernen uit, waaronder die waarin het inwendige slechts een zee van quarks is. J0740's grootte en massa vormen ook een probleem voor sommige modellen waarin de kern alleen neutronen en protonen bevat." De Amsterdamse promovendus Geert Raaijmakers kijkt nu naar de consequenties voor dichte materie, waarbij hij de nieuwe NICER-resultaten combineert met data van zwaartekrachtgolfdetectoren en laboratoriumdata.
Recente theoretische modellen stellen enkele alternatieven voor, zoals binnenkernen die een mix van neutronen, protonen en exotische materie van quarks of nieuwe combinaties van quarks bevatten. "Maar alle mogelijkheden zullen opnieuw moeten worden geëvalueerd in de context van deze nieuwe informatie van NICER,” aldus Watts.
Bron: Nederlandse Onderzoekschool voor Astronomie (NOVA)
