En ny studie ledd av GSI-forskare och internationella kollegor undersöker bildning av svarta hål vid sammanslagningar av neutronstjärnor. Datorsimuleringar visar att egenskaperna hos tät kärnämne spelar en avgörande roll, som direkt kopplar den astrofysiska sammanslagningen till experiment med tunga joner vid GSI och FAIR. Dessa fastigheter kommer att studeras mer exakt vid den framtida FAIR-anläggningen. Resultaten har nu publicerats i Fysiska granskningsbrev . Med tilldelningen av 2020 års Nobelpris i fysik för den teoretiska beskrivningen av svarta hål och för upptäckten av ett supermassivt föremål i mitten av vår galax, ämnet får för närvarande också stor uppmärksamhet.

Men under vilka förhållanden bildas egentligen ett svart hål? Detta är den centrala frågan i en studie som leds av GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung i Darmstadt inom ett internationellt samarbete. Med hjälp av datorsimuleringar, forskarna fokuserar på en speciell process för att bilda svarta hål, nämligen sammanslagning av två neutronstjärnor.

Neutronstjärnor består av mycket komprimerad tät materia. Massan av en och en halv solmassa pressas till storleken på bara några kilometer. Detta motsvarar liknande eller till och med högre densiteter än i de inre av atomkärnor. Om två neutronstjärnor går samman, materialet komprimeras dessutom under kollisionen. Detta leder till att fusionsresten på randen kollapsar till ett svart hål. Svarta hål är de mest kompakta föremålen i universum, inte ens ljus kan fly, så dessa objekt kan inte observeras direkt.

"Den kritiska parametern är neutronstjärnornas totala massa. Om den överskrider en viss tröskel är kollapsen till ett svart hål oundviklig, " sammanfattar Dr Andreas Bauswein från GSI teoriavdelningen. den exakta tröskelmassan beror på egenskaperna hos mycket tät kärnämne. I detalj är dessa egenskaper hos högdensitetsmaterial fortfarande inte helt förstått, vilket är anledningen till att forskningslabb som GSI kolliderar med atomkärnor – som en sammanslagning av neutronstjärnor men i mycket mindre skala. Faktiskt, kollisioner med tunga joner leder till mycket liknande förhållanden som sammanslagningar av neutronstjärnor. Baserat på teoretisk utveckling och fysiska experiment med tunga joner, det är möjligt att beräkna vissa modeller av neutronstjärnemateria, så kallade statsekvationer.

Genom att använda många av dessa statsekvationer, den nya studien beräknade tröskelmassan för svarthålsbildning. Om neutronstjärnan materia eller kärnämne, respektive, är lätt komprimerbar – om tillståndsekvationen är "mjuk" – redan sammanslagningen leder till en relativt lätt neutronstjärna till bildandet av ett svart hål. Om kärnämne är "styvare" och mindre komprimerbart, kvarlevan stabiliseras mot den så kallade gravitationskollapsen och en massiv roterande neutronstjärnestjärnrest bildas från kollisionen. Därav, tröskelmassan för kollaps själv informerar om egenskaperna hos högdensitetsmaterial. Den nya studien avslöjade vidare att tröskeln för att kollapsa till och med kan klargöra om nukleonen löses upp i sina beståndsdelar under kollisionen, kvarkarna.

"Vi är mycket glada över de här resultaten eftersom vi förväntar oss att framtida observationer kan avslöja tröskelmassan, ", tillägger professor Nikolaos Stergioulas vid institutionen för fysik vid Aristoteles universitet i Thessaloniki i Grekland. För bara några år sedan observerades en neutronstjärnesfusion för första gången genom att mäta gravitationsvågor från kollisionen. Teleskop hittade också den elektromagnetiska motsvarigheten och detekterade ljus från sammanslagningen. Om ett svart hål bildas direkt under kollisionen, den optiska emissionen från sammanslagningen är ganska svag. Således, observationsdata indikerar om ett svart hål skapades. Samtidigt bär gravitationsvågssignalen information om systemets totala massa. Ju mer massiva stjärnorna är desto starkare är gravitationsvågssignalen, vilket därmed gör det möjligt att bestämma tröskelmassan.

Medan gravitationsvågsdetektorer och teleskop väntar på nästa sammanslagningar av neutronstjärnor, kursen läggs i Darmstadt för kunskap som är ännu mer detaljerad. Den nya acceleratoranläggningen FAIR, för närvarande under uppbyggnad på GSI, kommer att skapa förutsättningar, som är ännu mer lika de i neutronstjärnefusioner. Till sist, endast kombinationen av astronomiska observationer, datorsimuleringar och experiment med tunga joner kan lösa frågorna om materiens grundläggande byggstenar och deras egenskaper, och, av det här, de kommer också att klargöra hur kollapsen till ett svart hål sker.