Gibt es eine Möglichkeit, seltsame Quarksterne zu erkennen, obwohl sie fast genau wie Weiße Zwerge aussehen?

Die Welt, die wir um uns herum sehen, besteht aus Quarks. Sie bilden die Kerne der Atome und Moleküle, aus denen wir und unsere Welt bestehen. Es gibt zwar sechs Arten von Quarks, reguläre Materie enthält nur zwei: Up-Quarks und Down-Quarks. Protonen enthalten zwei Hochs und ein Tief, während Neutronen zwei Tiefs und ein Hoch enthalten. Auf der Erde werden die anderen vier Typen nur gesehen, wenn sie in Teilchenbeschleunigern erzeugt werden. Einige von ihnen könnten aber auch in dichten Objekten wie Neutronensternen natürlich vorkommen.

Neutronenstern vs. Quarkstern. Bildnachweis: CXC/M. Weiss

Das Standardmodell für Neutronensterne besagt, dass Neutronen in ihrem Inneren weitgehend intakt bleiben. Ein Neutronenstern ist also wie ein riesiger Atomkern, der durch die Schwerkraft zusammengehalten wird und nicht durch die starke Kernkraft. Wir verstehen jedoch nicht vollständig, wie Neutronen bei extremen Temperaturen und Dichten interagieren. Es ist möglich, dass die Neutronen innerhalb eines Neutronensterns in eine Suppe aus Quarks zerfallen und einen sogenannten Quarkstern bilden. Quarksterne würden wie Neutronensterne aussehen, wären aber etwas kleiner.

Wenn Quarksterne existieren, ist es möglich, dass hochenergetische Up- und Down-Quarks kollidieren und seltsame Quarks bilden. Und hier könnten die Dinge, nun ja, ein bisschen seltsam werden. Strange Quarks sind viel schwerer als Up- und Down-Quarks, daher würden Strange Quarks dazu neigen, eine neue Art von Nukleon zu bilden, die als Strangelets bekannt ist. Ein einfaches Strangelet würde aus einem Up-, Down- und einem Strange-Quark bestehen. Da Strangelets viel dichter sind als Protonen und Neutronen, würde der Kontakt zwischen den beiden die Protonen und Neutronen zerreißen, um mehr Strangelets zu erzeugen. Wenn seltsame Materie mit normaler Materie in Kontakt kommt, dauert es im Wesentlichen nicht lange, bis sie in seltsame Materie umgewandelt wird. Sie könnten alles haben, von seltsamen Sternen bis hin zu seltsamen Planeten.

Seltsame Quarks können in regulären Nukleonen auftreten. Bildnachweis: APS/Alan Stonebraker

Seltsame Materie ist zwar eine interessante Idee, aber keine beliebte. Wenn sich zunächst in einigen Neutronensternen seltsame Quark-Materie bildet, sollte sie sich in allen bilden, wodurch sie kollabieren. Aber wir sehen viele Neutronensterne, die zu groß sind, um seltsame Quarks zu sein. Es gibt auch die Tatsache, dass seltsame Quarks in regulären Protonen und Neutronen auftreten können. Obwohl ein Proton beispielsweise aus zwei Up-Quarks und einem Down-Quark „besteht“, ist das wirklich nur ein Durchschnitt. Durch Quantenfluktuationen können für kurze Zeit seltsame Quarks auftreten. Aber sie sind nicht stabil und wandeln Nukleonen nicht in seltsame Materie um. Wenn also seltsame Materie existiert, existiert sie wahrscheinlich nur in großen und dichten Objekten.

Dennoch lohnt es sich, im Universum nach seltsamen Materieobjekten zu suchen, und kürzlich hat eine Studie einige Kandidaten gefunden. Die Studie suchte nach einer Art von Objekten, die als seltsame Zwerge bekannt sind. Diese hypothetischen Objekte haben eine ähnliche Masse wie ein Weißer Zwerg, bestehen aber nicht aus normale Materie in entartetem Zustand, sie bestehen aus seltsamer Quark-Materie. Dadurch wären sie viel kleiner als Weiße Zwerge.

Die Masse-Radius-Beziehung für Weiße Zwerge. Bildnachweis: Brian Koberlein

Um diese Objekte zu finden, untersuchte das Team Daten aus der Montreal White Dwarf Database (MWDD), die Daten zu mehr als 50.000 Weißen Zwergen enthält. Für etwa 40.000 von ihnen listet die Datenbank sowohl die Masse als auch die Oberflächengravitation der Weißen Zwerge auf. Die Masse eines Weißen Zwergs kann durch die Dopplerverschiebung seines Lichts, wenn er einen Begleitstern umkreist, oder durch Gravitationslinsen bestimmt werden, während die Oberflächengravitation durch die Gravitationsrotverschiebung seines Lichts gemessen werden kann.

Wenn Sie die Masse und die Oberflächengravitation eines Sterns kennen, können Sie seinen Radius leicht berechnen. Das Team tat dies und verglich sie dann mit der Masse- und Radiusbeziehung für Weiße Zwerge. Die meisten von ihnen folgten der Beziehung, aber 8 der Sterne taten es nicht. Sie waren viel kleiner und entsprachen den Vorhersagen für einen Quark-Zwerg.

Die Daten dieser Arbeit sind nicht stark genug, um zu beweisen, dass es sich bei diesen Objekten um seltsame Zwerge handelt, aber sie sind es wert, weiter untersucht zu werden. Etwas ist seltsam an ihnen, und es wäre gut festzustellen, ob das an seltsamen Quarks oder etwas anderem liegt.

Referenz:Abudushataer Kuerban et al.“ Auf der Suche nach seltsamen Quark-Materie-Objekten unter Weißen Zwergen . 'arXiv-VordruckarXiv: 2012.05748 (2020).