DARMSTADT / FRANKFURT / LONDON (IT BOLTWISE) – Die Untersuchung der Materie unter extremen Bedingungen, wie sie in Neutronensternen vorkommt, hat neue Erkenntnisse über die Schallgeschwindigkeit in farbsupraleitender Quarkmaterie geliefert. Forschende der Technischen Universität Darmstadt und der Goethe-Universität Frankfurt haben herausgefunden, dass diese Materie bei hohen Dichten thermodynamisch bevorzugt ist und die Schallgeschwindigkeit im Inneren von Neutronensternen erheblich erhöhen kann.
Die Erforschung der Materie unter extremen Bedingungen, wie sie im Inneren von Neutronensternen vorkommt, stellt Wissenschaftler vor große Herausforderungen. Die Dichte dieser Materie ist vergleichbar mit der von 100.000 Eiffeltürmen, die auf einen Kubikzentimeter komprimiert sind. Besonders die Eigenschaften der sogenannten Quarkmaterie, die aus den fundamentalen Bausteinen des Universums besteht, sind von Interesse. Diese Materie könnte in extrem dichten Regionen existieren und spielt eine entscheidende Rolle bei der Untersuchung von Neutronensternen.
Forschende der Technischen Universität Darmstadt und der Goethe-Universität Frankfurt haben sich intensiv mit den thermodynamischen Eigenschaften dieser Quarkmaterie beschäftigt. Ihre theoretischen Untersuchungen zeigen, dass Quarks bei sehr niedrigen Temperaturen in einen farbsupraleitenden Zustand übergehen können. Dieser Zustand verleiht der Materie völlig neue Eigenschaften und ähnelt dem Übergang eines Elektronengases in einen elektrischen Supraleiter. Im Gegensatz zu herkömmlichen Supraleitern leitet ein Farbsupraleiter jedoch nicht elektrische Ströme ohne Widerstand, sondern die Farbladung der Quarks.
Die Bildung von Quarkpaaren und die daraus resultierende Energielücke verändern das Verhalten der Materie grundlegend. Selbst relativ schwache Paarungseffekte haben deutliche Auswirkungen auf die Materie und deren thermodynamische Eigenschaften. Andreas Geißel, Tyler Gorda und Jens Braun haben diese Effekte im Detail untersucht und Korrekturbeiträge berechnet, die aus der Paarbildung und den Wechselwirkungen der Quarks resultieren. Dabei wurden die spezifischen Bedingungen im Inneren von Neutronensternen berücksichtigt.
Die Ergebnisse der Forschungen zeigen, dass der farbsupraleitende Zustand bei hohen Dichten thermodynamisch bevorzugt ist. Zudem führt dieser Zustand zu einer signifikanten Erhöhung der Schallgeschwindigkeit, was ein direktes Maß für die mechanische Stabilität von Materie darstellt. Die Berechnungen legen nahe, dass die Schallgeschwindigkeit im Inneren von Neutronensternen mehr als 60 Prozent der Lichtgeschwindigkeit betragen könnte, was mehr als 180.000 Kilometer pro Sekunde entspricht. Diese Erkenntnisse sind besonders beeindruckend, wenn man sie mit der Schallgeschwindigkeit im härtesten irdischen Material, dem Diamanten, vergleicht, die 10.000-mal kleiner ist.
Numerische Simulationen deuten darauf hin, dass solch hohe Schallgeschwindigkeiten notwendig sind, um die Stabilität der massereichsten bekannten Neutronensterne zu erklären. Die Arbeit von Geißel, Gorda und Braun legt nahe, dass farbsupraleitende Materie einen wichtigen Baustein für die Erklärung massereicher Neutronensterne darstellt. Gleichzeitig hilft die Beobachtung dieser Sterne, die Energielücke im Quarkspektrum präziser einzugrenzen. Ihre Ergebnisse wurden in einem Fachartikel in den Physical Review Letters veröffentlicht.
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