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Forscher vermuten bislang unbekannte Materie – hier soll sie sich verbergen

Neutronensterne geben der Forschung immer wieder neue Rätsel auf. Das gilt insbesondere für das, was in ihrem Inneren schlummert.

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Atome, die grundlegenden Bausteine aller Materie, setzen sich aus drei Haupttypen von Teilchen zusammen: Protonen, Neutronen und Elektronen. Während Elektronen elementare Teilchen sind, sind Protonen und Neutronen komplexer aufgebaut und bestehen aus Quarks. Ein Proton besteht aus zwei Up-Quarks und einem Down-Quark, während ein Neutron sich aus zwei Down-Quarks und einem Up-Quark zusammensetzt. Diese Struktur ist entscheidend für das Verständnis der Atomstruktur und des Verhaltens von Materie unter verschiedenen Bedingungen, einschließlich der Beschaffenheit von Neutronensternen.

Neutronensterne mit Quarkkern?

Neutronensterne, die Überreste massiver Sterne, bieten eine einzigartige Umgebung für die Untersuchung dieser Teilchen. Diese Sterne entstehen, wenn der Kern eines Sterns die Kernfusion nicht aufrechterhalten kann und sein gravitativer Kollaps durch den Quantendruck der Neutronen gestoppt wird. In diesem dichten Zustand sind die Eigenschaften der Materie extrem. Sie führen daher zu Spekulationen über das Verhalten von Quarks innerhalb von Neutronen unter solch intensiven Bedingungen.

Historisch gesehen nahm man an, dass Neutronen in einem Neutronenstern intakt bleiben und ihre konstituierenden Quarks fest binden. Neuere Studien legen jedoch eine andere Möglichkeit nahe. Unter den extremen Drücken und Dichten in Neutronensternen wird vermutet, dass Neutronen sich auflösen könnten, wodurch ihre Quarks in eine Art Quarksuppe übergehen. Dieser theoretische Zustand würde in einem dichten Quarkkern im Zentrum eines Neutronensterns resultieren.

Direkte Experimente mit Neutronensternen sind derzeit unmöglich, und ähnliche Bedingungen auf der Erde zu schaffen, ist undurchführbar. Daher stützt sich das Verständnis des Zustands der Materie in Neutronensternen auf komplexe Gleichungen wie die Tolman-Oppenheimer-Volkoff (TOV) Gleichung. Diese Gleichung berechnet die Eigenschaften der Materie innerhalb von Neutronensternen, kann aber aufgrund ihrer Komplexität und der extremen Bedingungen nicht eindeutig das Vorhandensein von Quarkkernen bestimmen.

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Studie wählt neuen Ansatz

Eine innovative Studie hat jedoch einen anderen Ansatz verfolgt. Unter Verwendung von Bayes-Statistik und Beobachtungsdaten zur Masse und Größe von Neutronensternen haben Forschende Muster analysiert, die auf Quarkkerne hindeuten. Die Ergebnisse dieser Analyse legen nahe, dass es eine hohe Wahrscheinlichkeit gibt, dass massive Neutronensterne Quarkkerne enthalten. Das gilt insbesondere für solche mit einer Masse von mehr als zwei Sonnen.

Die Studie, obwohl bahnbrechend, basiert auf einem begrenzten Datensatz. Daher sind weitere Forschungen und umfassendere Daten erforderlich, um diese Ergebnisse eindeutig zu bestätigen. Die Suche nach dem Verständnis der Zusammensetzung von Neutronensternen geht weiter, mit dem Potenzial, neue Einblicke in das Verhalten von Materie unter den extremsten Bedingungen im Universum zu enthüllen. Diese Forschung stellt einen bedeutenden Fortschritt in der Astrophysik dar und deutet auf eine komplexe und faszinierende innere Struktur von Neutronensternen hin.

Quellen: „Strongly interacting matter exhibits deconfined behavior in massive neutron stars“ (Nature Communications, 2023)

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