Möjligheten att mäta gravitationsvågorna hos två sammanslagna neutronstjärnor kan ge svar på några av de grundläggande frågorna om materiens struktur. Vid de extremt höga temperaturerna och densiteterna i sammanslagningen, forskare har gissat en fasövergång där neutroner löses upp i sina kvarkar och gluoner. I det aktuella numret av Fysiska granskningsbrev , två internationella forskargrupper rapporterar om sina beräkningar av hur signaturen för en sådan fasövergång i en gravitationsvåg skulle se ut.

Quarks, materiens minsta byggstenar, aldrig uppträda ensam i naturen. De är alltid tätt bundna inuti protoner och neutroner. Dock, neutronstjärnor som väger lika mycket som solen, men är precis lika stor som en stad som Frankfurt, har en kärna så tät att en övergång från neutronmaterial till kvarkmateria kan ske. Fysiker hänvisar till denna process som en fasövergång, liknande vätske-ånga-övergången i vatten. Särskilt, en sådan fasövergång är, i princip, möjligt när sammanslagna neutronstjärnor bildar ett mycket massivt metastabilt objekt med densiteter som överstiger atomkärnor och med temperaturer 10, 000 gånger högre än i solens kärna.

Mätningen av gravitationsvågor som emitteras av sammanslagna neutronstjärnor skulle kunna fungera som en budbärare för möjliga fasövergångar i yttre rymden. Fasövergången bör lämna en karakteristisk signatur i gravitationsvågssignalen. Forskargrupperna från Frankfurt, Darmstadt och Ohio (Goethe University/FIAS/GSI/Kent University) samt från Darmstadt och Wroclaw (GSI/Wroclaw University) använde moderna superdatorer för att beräkna hur denna signatur skulle kunna se ut. För det här syftet, de använde flera teoretiska modeller av fasövergången.

Om en fasövergång sker mer efter själva sammanslagningen, små mängder kvarkar kommer gradvis att dyka upp i det sammanslagna objektet. "Med hjälp av Einsteins ekvationer, vi kunde för första gången visa att denna subtila förändring i strukturen kommer att producera en avvikelse i gravitationsvågens signal tills den nybildade massiva neutronstjärnan kollapsar under sin egen vikt och bildar ett svart hål, " förklarar Luciano Rezzolla, som är professor i teoretisk astrofysik vid Goethe-universitetet.

I datormodellerna av Dr Andreas Bauswein från GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung i Darmstadt sker en fasövergång redan direkt efter sammanslagningen - en kärna av kvarkmateria bildas i det inre av det centrala objektet. "Vi lyckades visa att det i det här fallet kommer att ske en distinkt förskjutning i frekvensen av gravitationsvågssignalen, säger Bauswein. Alltså, vi identifierade ett mätbart kriterium för en fasövergång i gravitationsvågor av neutronstjärnes sammanslagningar i framtiden."

Inte alla detaljer i gravitationsvågsignalen är mätbara med strömdetektorer ännu. Dock, de kommer att bli observerbara både med nästa generation av detektorer, samt med ett fusionsevenemang relativt nära oss. Ett kompletterande tillvägagångssätt för att svara på frågorna om kvarkmateria erbjuds av två experiment:genom att kollidera med tunga joner vid den befintliga HADES-installationen vid GSI och vid den framtida CBM-detektorn vid Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR), som för närvarande är under uppbyggnad på GSI, komprimerat kärnämne kommer att produceras. Vid kollisioner, det kan vara möjligt att skapa temperaturer och tätheter som liknar dem i en neutronstjärnefusion. Båda metoderna ger nya insikter om förekomsten av fasövergångar i kärnämne och därmed i dess grundläggande egenskaper.