Quarksterne in den Inneren von Neutronensternen

Quarksterne: Vom Quark-Gluon-Plasma zu Supernova-Überresten

Neutronensterne könnten in ihren Kernen Quark-Gluon-Plasma enthalten – einen Materiezustand, in dem Protonen und Neutronen in Quarks und Gluonen zerfallen. Diese Objekte haben einen Durchmesser von etwa 20 km, eine Masse von 1,4 Sonnenmassen, und ihre Dichte ermöglicht es Quarks, unter dem Druck der starken Wechselwirkung frei zu existieren. Die Hypothese geht von einem Übergang von einer Neutronenkruste zu einem Quarkkern aus, wo die Materie stabiler ist als gewöhnliche Hadronen.

Quarks sind Fermionen innerhalb von Protonen und Neutronen, die durch Gluonen zusammengehalten werden. In der Quantenchromodynamik bildet Quark-Gluon-Plasma ein perfektes Fluid mit null Viskosität, wie in Experimenten am CERN und Brookhaven beobachtet. In Sternen ist dies eine kalte, ultra-dichte Form, die die Gravitation dominiert.

Die Physik von Quarks und der starken Wechselwirkung

Atome bestehen aus Kernen (Protonen, Neutronen) und Elektronen. Jedes Nukleon besteht aus drei Quarks: Up (u), Down (d) und manchmal Strange (s). Fermionen gehorchen dem Pauli-Ausschlussprinzip, das identische Zustände verhindert, im Gegensatz zu Boson-Gluonen.

Strange-Quarks haben eine lange Lebensdauer und zerfallen in u und d. Quark-Gluon-Suppe war die Grundlage des frühen Universums nach dem Urknall und ging in Hadronen über. In Neutronensternen verwandelt Dekonfinement Neutronen knapp unter der Kruste in freie Quarks.

Struktur von Neutronensternen

Neutronensterne sind Supernova-Überreste, Pulsare mit periodischen Radiopulsen. Ihre Dichte führt zum Zerfall von Neutronen: Die starke Wechselwirkung setzt sich durch und bildet kalte, ultra-dichte Materie unbekannter Zusammensetzung.

Die Messung von Masse und Radius ist aufgrund der Entfernungen schwierig (der nächste ist 400 Lichtjahre entfernt). Kollisionen erzeugen Gravitationswellen, die die Viskosität der Materie offenbaren. Die Volumenviskosität wird durch Störungstheorie geschätzt: Sie charakterisiert den Energieverlust während der Oszillationen der Quarkmischungsdichte.

• Masse und Radius: Statistiken aus Verschmelzungen zeigen Variationen, die auf einen möglichen Quarkkern hindeuten.
• Viskosität: Niedrig, ähnlich wie Plasma aus Beschleunigern.
• Pulsar-Timing: Eine Methode für präzise Parameter.
• Gravitationswellen: Daten von LIGO/Virgo zur Materiemischung.

Die Krustenschicht hat Unregelmäßigkeiten im Millimeterbereich, während der Kern eine Quarksuppe sein könnte.

Die Quarkstern-Hypothese

Quarksterne bestehen vollständig aus freien Quarks (u, d, s), genannt Strange-Sterne. Dekonfinement tritt bei einer kritischen Masse auf, wenn der Druck des entarteten Neutronengases unzureichend ist.

Strange-Materie ist bei Null-Druck stabil, der wahre Grundzustand. Strangelets sind Quarktröpfchen, die Neutronensterne umwandeln können.

Eigenschaften:

• Dichter als Neutronensterne.
• Bedeckt von einer dünnen Neutronenkruste.
• Geringe Oberflächenspannung ermöglicht makroskopische Körper.
• Potenzial für Supraleitung via BCS-Theorie.
• Energie vergleichbar mit thermonuklearer Fusion.

Simulationen am JINR, CERN und Tokyo Institute: Bose-Einstein-Kondensat, das in eine superfluide feste Phase übergeht.

Kandidaten unter kompakten Objekten

Schnell rotierende Pulsare und massearme Überreste haben Priorität. XTE J1739-285: 1122 Hz, Radius 9–12 km, Masse 1,2 M☉, 13.000 Lichtjahre entfernt, im Schlangenträger. Möglicherweise eine reine Quarkstruktur unter einer gasförmigen Hülle.

HESS J1731-347 (2022, Tübingen): Ein Supernova-Überrest, 10.000 Lichtjahre entfernt, Masse 0,77 M☉, Radius 10,4 km. Sein Röntgenspektrum ist für einen Neutronenstern anomal.

Wichtige Erkenntnisse

• Quark-Gluon-Plasma in Neutronensternkernen ist eine kalte Version von Laborexperimenten.
• Kollisionen und Gravitationswellen liefern Daten zu Viskosität und Zustandsgleichung.
• Kandidaten: XTE J1739-285 und HESS J1731-347 mit extremen Parametern.
• Strange-Materie ist ein stabiler Zustand, der kompakte Objekte dominieren könnte.
• Zukünftige Beobachtungen durch SKAO werden die Zusammensetzung von Sterninneren klären.

— Editorial Team