Astrophysik: Neutronensterne können Quarks-Kerne besitzen

Wann wird aus einem normalen Neutronenstern ein Quark-Stern? Unbekannt. Dafür scheinen einige Neutronensterne einen Quark-Kern zu besitzen.

Artikel veröffentlicht am 6. Januar 2024, 11:11 Uhr, Patrick Klapetz

Eine künstlerische Darstellung eines Neutronensterns (Bild: Pixabay)

Atome haben drei Bestandteile: Protonen, Neutronen und Elektronen. Elektronen sind eine Art Elementarteilchen, aber Protonen und Neutronen sind zusammengesetzte Teilchen, die aus Up- und Down-Quarks bestehen. Protonen haben zwei Up-Quarks und einen Down-Quark, während Neutronen zwei Down-Quarks und einen Up-Quark haben.

Aufgrund der seltsamen Natur der starken Kraft sind diese Quarks immer aneinander gebunden. Dadurch können sie, anders als Elektronen, nie wirklich freie Teilchen sein – zumindest nicht im Vakuum des leeren Raums. Im Herzen von Neutronensternen können sie sich jedoch selbst befreien, hat ein internationales Forschungsteam aus Finnland, Norwegen, Deutschland und den USA herausgefunden. 

Neutronensterne und ihre Quarks

Neutronensterne sind die Überreste von großen Sternen. Sie sind ein letzter Versuch, den Kern eines Sterns davor zu bewahren, zu einem Schwarzen Loch zu kollabieren. Nachdem der gesamte Kernbrennstoff eines dichten Kerns verbraucht ist, kann nur noch der Quantendruck der Neutronen der Schwerkraft entgegenwirken.

Das einfache Modell eines Neutronensterns geht davon aus, dass sein Kern mit Neutronen gefüllt ist. Diese stehen kurz davor, in sich selbst zusammenzufallen. Sie stoßen zwar mit enormer Energie gegeneinander, sind aber immer noch Neutronen.

Die Neutronen können nicht auseinanderbrechen. Das liegt an ihren Quarks, die dafür viel zu fest gebunden sind. In der Fachwelt gibt es vereinzelt die Annahme, dass sich die Neutronen an diesem Gravitationsrand lockern können. Die enthaltenen Quarks würden dann zu einer Art Quark-Suppe zusammenfließen. Das wiederum würde bedeuten, dass Neutronensterne einen dichten Quark-Kern haben könnten – alles rein hypothetisch. Ein Experiment auf der Erde ist mit den heutigen Technologien unmöglich.

Die Bayessche Statistik bringt die Lösung

Das Forschungsteam schaute sich die Beobachtungsdaten über die Masse und Größe von Neutronensternen an und wandte die Bayessche Statistik an. Diese statistische Methode untersucht laut dem Forschungsteam Beobachtungsmuster und extrapoliert wahrscheinliche Szenarien auf eine subtile, aber wirkungsvolle Weise.

Dabei fanden sie heraus, dass Neutronensterne mit einer Masse von mehr als zwei Sonnen mit einer Wahrscheinlichkeit von 80 bis 90 Prozent einen Quark-Kern haben. Doch wo befindet sich der Übergang zwischen Quark-Sternen und normalen Neutronensternen? Um diese Frage zu beantworten, benötigt die Forschungsgruppe mehr Daten. Die bisherige Analyse stützt sich auf eine recht kleine Datenmenge. Von den meisten Neutronensternen sind weder die Masse noch der Radius bekannt. Klar ist jedoch, dass diese Sternphase noch einige Geheimnisse birgt. 

Zur Studie

Die Studie wurde am 19. Dezember 2023 in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht: Strongly interacting matter exhibits deconfined behavior in massive neutron stars (Stark wechselwirkende Materie zeigt in massiven Neutronensternen ein entgrenztes Verhalten).