Ett internationellt forskarlag har för första gången kombinerat data från experiment med tunga joner, gravitationsvågsmätningar och andra astronomiska observationer med hjälp av avancerad teoretisk modellering för att mer exakt begränsa egenskaperna hos kärnämne som den kan hittas i neutronstjärnornas inre. Resultaten publicerades i tidskriften Nature .

I hela universum föds neutronstjärnor i supernovaexplosioner som markerar slutet på livet för massiva stjärnor. Ibland är neutronstjärnor bundna i binära system och kommer så småningom att kollidera med varandra. Dessa högenergiska, astrofysiska fenomen har så extrema förhållanden att de producerar de flesta av de tunga grundämnena, som silver och guld. Följaktligen är neutronstjärnor och deras kollisioner unika laboratorier för att studera materiens egenskaper vid tätheter långt bortom densiteterna inuti atomkärnor. Kollisionsexperiment med tunga joner utförda med partikelacceleratorer är ett komplementärt sätt att producera och undersöka material vid höga densiteter och under extrema förhållanden.

Nya insikter om de grundläggande interaktionerna i kärnämne

"Att kombinera kunskap från kärnteori, kärnexperiment och astrofysiska observationer är avgörande för att belysa egenskaperna hos neutronrik materia över hela densitetsområdet som undersöks i neutronstjärnor", säger Sabrina Huth, Institutet för kärnfysik vid Darmstadts tekniska universitet. som är en av huvudförfattarna till publikationen. Peter T. H. Pang, en annan huvudförfattare från Institute for Gravitational and Subatomic Physics (GRASP), Utrecht University, tillade:"Vi finner att begränsningar från kollisioner av guldjoner med partikelacceleratorer visar en anmärkningsvärd överensstämmelse med astrofysiska observationer även om de erhålls med helt andra metoder."

Den senaste tidens framsteg inom astronomi med flera budbärare gjorde det möjligt för det internationella forskarteamet, som involverade forskare från Tyskland, Nederländerna, USA och Sverige, att få nya insikter om de grundläggande interaktionerna i kärnämne. I en tvärvetenskaplig ansträngning inkluderade forskarna information som erhållits vid kollisioner med tunga joner i ett ramverk som kombinerar astronomiska observationer av elektromagnetiska signaler, mätningar av gravitationsvågor och högpresterande astrofysikberäkningar med teoretiska kärnfysiska beräkningar. Deras systematiska studie kombinerar alla dessa individuella discipliner för första gången, vilket pekar på ett högre tryck vid mellanliggande densiteter i neutronstjärnor.

Data om kollisioner med tunga joner ingår

Författarna inkorporerade informationen från guld-jonkollisionsexperiment utförda vid GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung i Darmstadt samt vid Brookhaven National Laboratory och Lawrence Berkeley National Laboratory i USA i sin flerstegsprocedur som analyserar begränsningar från kärnteori och astrofysiska observationer, inklusive mätningar av neutronstjärnans massa genom radioobservationer, information från uppdraget Neutron Star Interior Composition Explorer (NICER) på den internationella rymdstationen (ISS) och observationer av flera budbärare av sammanslagningar av binära neutronstjärnor.

Kärnkraftsteoretikerna Sabrina Huth och Achim Schwenk från Technical University Darmstadt och Ingo Tews från Los Alamos National Laboratory var nyckeln till att översätta informationen som erhölls vid kollisioner med tunga joner till neutronstjärnemateria, som behövs för att införliva astrofysiska begränsningar.

Att inkludera data om kollisioner med tunga joner i analyserna har möjliggjort ytterligare begränsningar i densitetsregionen där kärnteori och astrofysiska observationer är mindre känsliga. Detta har bidragit till att ge en mer fullständig förståelse av tät materia. I framtiden kan förbättrade begränsningar från kollisioner med tunga joner spela en viktig roll för att överbrygga kärnteori och astrofysiska observationer genom att tillhandahålla kompletterande information. Detta gäller särskilt för experiment som undersöker högre densiteter, och att minska de experimentella osäkerheterna har stor potential att ge nya begränsningar för neutronstjärnans egenskaper. Ny information på båda sidor kan enkelt inkluderas i ramverket för att ytterligare förbättra förståelsen av tät materia under de kommande åren. + Utforska vidare

Svart hål eller inget svart hål:Om resultatet av kollisioner med neutronstjärnor