La oportunidad de medir las ondas gravitacionales de dos estrellas de neutrones fusionadas podría ofrecer respuestas a algunas de las preguntas fundamentales sobre la estructura de la materia. A las temperaturas y densidades extremadamente altas de la fusión, Los científicos han conjeturado una transición de fase en la que los neutrones se disuelven en sus quarks y gluones constituyentes. En el número actual de Cartas de revisión física , dos grupos de investigación internacionales informan sobre sus cálculos de cómo se vería la firma de tal transición de fase en una onda gravitacional.

Quarks, los bloques de construcción más pequeños de la materia, nunca aparezcas solo en la naturaleza. Siempre están estrechamente unidos dentro de los protones y neutrones. Sin embargo, estrellas de neutrones que pesan tanto como el sol, pero teniendo el tamaño de una ciudad como Frankfurt, poseen un núcleo tan denso que puede ocurrir una transición de materia de neutrones a materia de quarks. Los físicos se refieren a este proceso como una transición de fase, similar a la transición líquido-vapor en el agua. En particular, tal transición de fase es, en principio, posible cuando las estrellas de neutrones fusionadas forman un objeto metaestable muy masivo con densidades superiores a las de los núcleos atómicos y con temperaturas de 10, 000 veces más alto que en el núcleo del sol.

La medición de ondas gravitacionales emitidas por la fusión de estrellas de neutrones podría servir como mensajero de posibles transiciones de fase en el espacio exterior. La transición de fase debe dejar una firma característica en la señal de la onda gravitacional. Los grupos de investigación de Frankfurt, Darmstadt y Ohio (Universidad de Goethe / FIAS / GSI / Universidad de Kent) así como de Darmstadt y Wroclaw (GSI / Universidad de Wroclaw) utilizaron supercomputadoras modernas para calcular cómo podría verse esta firma. Para este propósito, utilizaron múltiples modelos teóricos de la transición de fase.

En caso de que se produzca una transición de fase después de la fusión real, pequeñas cantidades de quarks aparecerán gradualmente en todo el objeto fusionado. "Con la ayuda de las ecuaciones de Einstein, pudimos demostrar por primera vez que este cambio sutil en la estructura producirá una desviación en la señal de la onda gravitacional hasta que la estrella de neutrones masiva recién formada colapsa por su propio peso para formar un agujero negro, "explica Luciano Rezzolla, quien es profesor de astrofísica teórica en la Universidad Goethe.

En los modelos informáticos del Dr. Andreas Bauswein de GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung en Darmstadt, ya se produce una transición de fase directamente después de la fusión:se forma un núcleo de materia de quarks en el interior del objeto central. "Logramos demostrar que en este caso habrá un cambio distinto en la frecuencia de la señal de la onda gravitacional, "dice Bauswein." Por lo tanto, identificamos un criterio medible para una transición de fase en ondas gravitacionales de fusiones de estrellas de neutrones en el futuro ".

No todos los detalles de la señal de onda gravitacional se pueden medir con detectores de corriente todavía. Sin embargo, se volverán observables tanto con la próxima generación de detectores, así como con un evento de fusión relativamente cercano a nosotros. Dos experimentos ofrecen un enfoque complementario para responder a las preguntas sobre la materia de los quarks:mediante la colisión de iones pesados ​​en la configuración HADES existente en GSI y en el futuro detector CBM en la Instalación de Investigación de Antiprotones e Iones (FAIR), que se encuentra actualmente en construcción en GSI, se producirá materia nuclear comprimida. En las colisiones podría ser posible crear temperaturas y densidades similares a las de una fusión de estrellas de neutrones. Ambos métodos brindan nuevos conocimientos sobre la aparición de transiciones de fase en la materia nuclear y, por lo tanto, sobre sus propiedades fundamentales.