[PWC-MEDIA] Press release: New insights into neutron star matter

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  • Date: Wed, 8 Jun 2022 17:09:22 +0200

Joint press release Nikhef and Utrecht University

8 June 2022

New insights into neutron star matter

Combining heavy-ion experiments, astrophysical observations, and nuclear theory

An international research team has for the first time combined data from 
heavy-ion experiments, gravitational wave measurements and other astronomical 
observations using advanced theoretical modelling to more precisely constrain 
the properties of nuclear matter as it can be found in the interior of neutron 
stars. The results were published in the journal “Nature”.

Throughout the Universe, neutron stars are born in supernova explosions that 
mark the end of the life of massive stars. Sometimes neutron stars are bound in 
binary systems and will eventually collide with each other. These high-energy, 
astrophysical phenomena feature such extreme conditions that they produce most 
of the heavy elements, such as silver and gold. Consequently, neutron stars and 
their collisions are unique laboratories to study the properties of matter at 
densities far beyond the densities inside atomic nuclei. Heavy-ion collision 
experiments conducted with particle accelerators are a complementary way to 
produce and probe matter at high densities and under extreme conditions. 

“Combining knowledge from nuclear theory, nuclear experiment, and astrophysical 
observations is essential to shedding light on the properties of neutron-rich 
matter over the entire density range probed in neutron stars,” said Sabrina 
Huth from Institute of Nuclear Physics at Technical University Darmstadt, who 
is one of the lead authors of the publication. Peter T. H. Pang, another lead 
author from the Institute for Gravitational and Subatomic Physics (GRASP), 
Utrecht University, added, “We find that constraints from collisions of gold 
ions with particle accelerators show a remarkable consistency with 
astrophysical observations even though they are obtained with completely 
different methods.”

Recent progress in multi-messenger astronomy allowed the international research 
team, involving researchers from Germany, the Netherlands, the US, and Sweden 
to gain new insights to the fundamental interactions at play in nuclear matter. 
In an interdisciplinary effort, the researchers included information obtained 
in heavy-ion collisions into a framework combining astronomical observations of 
electromagnetic signals, measurements of gravitational waves, and 
high-performance astrophysics computations with theoretical nuclear physics 
calculations. Their systematic study combines all these individual disciplines 
for the first time, pointing to a higher pressure at intermediate densities in 
neutron stars.

The authors incorporated the information from gold-ion collision experiments 
performed at GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt as well 
as at Brookhaven National Laboratory and Lawrence Berkeley National Laboratory 
in the USA in their multi-step procedure that analyzes constraints from nuclear 
theory and astrophysical observations, including neutron star mass measurements 
through radio observations, information from the Neutron Star Interior 
Composition Explorer (NICER) mission on the International Space Station (ISS), 
and multi-messenger observations of binary neutron star mergers. 

Including data of heavy-ion collision in the analyses has enabled additional 
constraints in the density region where nuclear theory and astrophysical 
observations are less sensitive. This has helped to provide a more complete 
understanding of dense matter. “In the future, improved constraints from 
heavy-ion collisions can play a key role to bridge nuclear theory and 
astrophysical observations by providing complementary information,” said Prof. 
Dr. Chris Van Den Broeck, co-author from GRASP, Utrecht University and Nikhef. 

“It is exciting to see that these studies bring together all these different 
scientific communities. Further down the line, it will become possible to 
understand and model not only the equation of state but also the transport 
properties of matter under the most extreme conditions. In particular, 
measurements from the upgraded ALICE experiment and observations with 
next-generation gravitational wave detectors such as Einstein Telescope are 
likely to play a significant role and contribute new insights.” said Prof. Dr. 
Raimond Snellings, Scientific Director of GRASP. 


More information

Nature publication:
Constraining Neutron-Star Matter with Microscopic and Macroscopic Collisions 
https://www.nature.com/articles/s41586-022-04750-w ;
<https://www.nature.com/articles/s41586-022-04750-w>

Nikhef website: 
https://www.nikhef.nl/news/goudbotsing-werpt-meer-licht-op-het-spul-waarvan-neutronensterren-gemaakt-zijn/

Contact
Prof. Chris Van Den Broeck, c.van.den.broeck@xxxxxxxxx 
<mailto:c.van.den.broeck@xxxxxxxxx>, +31 625133968


 

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