Forskere ved Universitetet i Stavanger og Goethe-universitetet i Frankfurt har oppdaget en ny måte å undersøke det indre av nøytronstjerner på. Ved hjelp av gravitasjonsbølger fra stjernenes kollisjoner vet de mer om det indre i stjernene.
Ved å analysere den såkalte "long ringdown"-fasen – et rent tonesignal utsendt av restene etter en kollisjon mellom stjerner – har de funnet en sterk korrelasjon mellom signalets egenskaper og tilstanden til materialet i nøytronstjernene. Resultatene ble nylig publisert i tidsskriftet Nature Communications.
Nøytronstjerner har en masse større enn hele solsystemet. Hele massen er samlet innenfor en nesten perfekt kule på bare et dusin kilometer i diameter. Stjernene regnes blant de mest fascinerende astrofysiske objektene som er kjent. De ekstreme forholdene i kjernen gjør at sammensetningen og strukturen av stjernene er svært usikker. Forskere har prøvd å finne ut mer om det indre av stjernene i flere tiår.
Kollisjonen av to nøytronstjerner, som den som ble observert i 2017, gir en unik mulighet til å avdekke disse mysteriene. Når to nøytronstjerner beveger seg sammen i en spiral i millioner av år, sender de ut gravitasjonsbølger. Den mest intense utsendelsen skjer i og rett etter øyeblikket de slås sammen. Restene etter sammenslåingen – et massivt, raskt roterende objekt dannet av kollisjonen – sender ut gravitasjonsbølger i et konsentrert område. Dette signalet inneholder avgjørende informasjon om den såkalte "tilstandsfunksjonen" til kjernefysisk materiale, som beskriver hvordan materialet oppfører seg ved ekstreme tettheter og trykk.
Forskere ved Universitetet i Stavanger og Goethe-universitetet i Frankfurt har nå oppdaget at selv om amplituden (en bølges største utslag) til gravitasjonsbølgesignalet etter sammenslåingen avtar over tid, blir det stadig mer "rent". Det tenderer mot én enkelt tone og kan sammenlignes med en gigantisk stemmegaffel som resonerer etter anslag. De har kalt denne fasen "long ringdown". Forskerne har funnet en sterk forbindelse mellom det unike ved "long ringdown" og egenskapene til de tetteste områdene i nøytronstjernekjerner.
Akkurat som stemmegafler laget av forskjellige materialer produserer distinkte rene toner, vil rester styrt av forskjellige tilstandsfunksjoner ringe ved forskjellige frekvenser. Å oppdage dette signalet kan derfor avsløre sammensetningen av nøytronstjerner.
– Med denne nye forståelsen av forholdet mellom gravitasjonsbølger og egenskapene til nøytronstjernekjerner, er vi nå rustet til å studere de eksotiske fasene av materie som kan eksistere under disse ekstreme forholdene. Det blir utrolig spennende å teste ulike teoretiske ideer om materie ved de høyeste tetthetene som finnes i universet, forklarer førsteamanuensis Aleksi Kurkela ved Universitetet i Stavanger.
Gjennom avanserte simuleringer av kollisjoner mellom nøytronstjerner med nøye konstruerte tilstandsfunksjoner, har forskerne demonstrert at analyse av "long ringdown" kan redusere usikkerheter i tilstandsfunksjonen ved svært høye tettheter betydelig. Denne oppdagelsen baner vei for en bedre forståelse av tett materie, spesielt når nye lignende hendelser blir observert i framtiden.
Selv om dagens gravitasjonsbølgedetektorer, som LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), ennå ikke har observert "long ringdown"-signalet etter kollisjonen i 2017, er forskerne optimistiske om at neste generasjons detektorer vil gjøre denne oppdagelsen mulig. Einstein-teleskopet, som forventes å bli operativt i Europa innen det neste tiåret, er en tredjegenerasjons gravitasjonsbølgedetektor som er ti ganger mer sensitiv enn dagens detektorer. Når Einstein-teleskopet er operativt, vil "long ringdown" fungere som et kraftig verktøy for å undersøke det indre av nøytronstjerner. Da kan forskerne avsløre materiens hemmeligheter i de mest ekstreme tilstander.