Es gibt Erdbeben unten und „Sternbeben“ oben? Die beiden eigentlich "zufällig"

Autor: Wang Weiyang (Fakultät für Astronomie und Weltraumwissenschaften, Universität der Chinesischen Akademie der Wissenschaften)

Wie wir alle wissen, ist die feste Erde selbst starr, und wenn die Schwerkraft einen bestimmten kritischen Wert erreicht, kommt es zu Brüchen, die zu Erdbebenkatastrophen führen. In ähnlicher Weise können Sternbeben auf natürliche Weise auftreten, wenn die Ansammlung innerer Spannungen auf einigen festen Planeten mit einer Masse vergleichbar mit der Sonne ihre Grenzen überschreitet. Interessanterweise deuten aktuelle Forschungsergebnisse darauf hin, dass die Ursachen vieler extremer astrophysikalischer Ereignisse (einschließlich Pulsarperiodenübergänge, schnelle Radioblitze, Gammastrahlenausbrüche, Neutronensternexplosionen oder -eruptionen usw.) wahrscheinlich eng mit dieser Art von Asterismus zusammenhängen. Kürzlich wurde in der Zeitschrift Science China: Physics, Mechanics and Astronomy ein Artikel veröffentlicht, der den Fortschritt der entsprechenden Forschung untersucht [1].

Alltägliche Materie verdichtet ihre Bestandteile (d. h. Atome/Moleküle) durch elektromagnetische Wechselwirkungen und liegt in flüssiger oder fester Form vor; Wenn die Wechselwirkungen zwischen den Einheiten vernachlässigbar sind, erscheint es als Gas. Es wird allgemein angenommen, dass der Atomkern eine Flüssigkeit mit Nukleonen (ein allgemeiner Begriff für Protonen und Neutronen) als Einheiten ist, die jedoch durch starke Kräfte verdichtet werden. Berücksichtigt man jedoch die Entstehung und Entwicklung massereicher Sterne, entsteht unter der vorherrschenden Kraft der Eigengravitation ein dichter Himmelskörper mit „miteinander verbundenen Atomkernen“. Diese Art von Himmelskörpern hat eine teilweise oder vollständige feste Struktur und löst häufig asteroseismische Prozesse aus. Zweifellos werden ausgereifte Theorien und Methoden der Festkörperphysik ihren Platz in der Erforschung dieser Art von Asteroseismologie finden und für andere zu einer Referenz werden.

Der Zustand dichter Materie unter starken Gravitationsfeldern ist einer der Schwerpunkte der aktuellen Physik und Astronomie und befasst sich mit dem Niedrigenergieverhalten fundamentaler starker Wechselwirkungen. Wenn ein massereicher Hauptreihenstern seine Kernenergie erschöpft, entsteht in seiner Kernregion ein Himmelskörper, der aus dieser Art dichter Materie besteht. Wenn die Masse eines kompakten Himmelskörpers nicht groß genug ist und seine Eigengravitation nicht stark genug ist, um ihn zu einem schwarzen Loch kollabieren zu lassen, dann können alle Atomkerne im Kern des Sterns zusammengedrückt werden und als das erscheinen, was Landau einen „Riesenkern“ nannte, bei dem es sich um den beobachteten Pulsar handelt.

Obwohl die Natur dieser Art extrem dichter Materie noch nicht geklärt ist, gibt es aufgrund unseres begrenzten Wissens über starke Wechselwirkungen bei niedriger Energie klare Beobachtungsbeweise dafür, dass eine Vielzahl extremer astrophysikalischer Ereignisse eng mit Riesenkernen zusammenhängen. Ähnlich wie die Erde haben Pulsare oft eine teilweise oder sogar vollständig feste Struktur; Wenn die interne Spannungsakkumulation einen bestimmten kritischen Wert erreicht, kommt es natürlicherweise zu Sternbeben. Der Unterschied besteht darin, dass Pulsare eine höhere Schwerkraft, Dichte und ein stärkeres Magnetfeld als die Erde haben, sodass asteroseismische Aktivitäten zu viel heftigeren Himmelsaktivitäten führen. Wir rufen hiermit dazu auf, die gegenseitige Integration von Seismologie und Astrophysik voranzutreiben und hoffen, dass mit Hilfe hochpräziser astronomischer Multi-Messenger-Beobachtungen die Natur der Riesenkerne endlich enthüllt wird und so unser Verständnis der starken Kräfte bei niedriger Energie vertieft wird.

Abbildung 1. Das Dreieck der Quarks mit leichtem Flavour (u, d und s) [1]. Die Graustufen im Dreieck stellen das Ladung-Masse-Verhältnis R der baryonischen Komponente dar. Der Atomkern befindet sich in der Nähe des Punktes A, R ≃ 1/2; Die Baryonenkomponenten in Neutronensternen (n-Punkt) und seltsamen Sternen (s-Punkt) sind nahezu elektrisch neutral. Die Grundeinheit am Punkt s, ähnlich dem Atomkern am Punkt A, wird Strangeon genannt.

Anfang 1931 unterhielt sich Landau mit Bohr und Rosenfeld und erwähnte dabei ein interessantes Thema[2]: Der Gravitationskollaps führt dazu, dass Atomkerne zusammengedrückt werden und schließlich einen „Riesenkern“ bilden, in dem die Elektronen fest an die Protonen gebunden sind, um zu vermeiden, dass sie zu viel kinetische Energie gewinnen. Dieser riesige Kern wurde später unter dem Begriff „Neutronenstern“ populär und galt als die Essenz des „Pulsars“ (entdeckt 1967). Bei Riesenkernen im Rahmen der ersten Quark-Generation können elektrische Neutralität und Quark-Flavour-Symmetrie jedoch nicht das Beste aus beiden Welten vereinen. Mit der Entwicklung und dem Erfolg des Standardmodells der Teilchenphysik seit den 1960er Jahren hat die Merkwürdigkeit zunehmend an Aufmerksamkeit gewonnen. Die Einführung dieses Freiheitsgrades kann Riesenkernen das Beste aus beiden Welten bieten: die Aufrechterhaltung der Geschmackssymmetrie und der elektrischen Neutralität der Quarks zur gleichen Zeit, aber die Anzahl der Valenzquark-Geschmäcker muss von „2“ auf „3“ erweitert werden. Wir nennen die Einheiten innerhalb des Riesenkerns, die den Nukleonen im Atomkern ähnlich sind, aber eine von Null verschiedene Strangeness-Zahl haben, „Strangeons“ (Abbildung 1). Allerdings ist noch unklar, ob es sich bei Pulsaren um klassische Neutronensterne oder um seltsame Sterne handelt.

Die Entwicklung der modernen Seismologie begann im frühen 20. Jahrhundert. Ein sehr berühmtes Erdbebenbeispiel ist das Erdbeben von San Francisco im Jahr 1906 (Abbildung 2). Nach dem Erdbeben entdeckte man, dass das Erdbeben riesige, sich über Hunderte von Kilometern erstreckende Risse verursacht hatte, und kam zu dem Schluss, dass das Erdbeben durch Verwerfungen an der Verwerfung verursacht worden war. Nach dem Erdbeben in San Francisco schlug die wissenschaftliche Gemeinschaft die Theorie des elastischen Rückpralls vor[3]. Diese Theorie geht davon aus, dass die tektonische Spannung die Verwerfung kontinuierlich belastet und dass die Verwerfungsebene aufgrund von Instabilität bricht, wenn die Belastungsspannung ein ausreichend großes Niveau erreicht. Die durch den Bruch verursachten Vibrationen breiten sich im umgebenden Medium aus (seismische Wellen) und verursachen Katastrophen. Nach einem Erdbebenbruch werden die Medien auf beiden Seiten der Verwerfung weiterhin durch tektonische Spannungen belastet und nach einem Erdbebenzyklus entsteht der Bruch des nächsten Erdbebens. Erdbebenzyklen wiederholen sich immer wieder und nach Tausenden von Erdbebenzyklen hat die Verwerfung die komplexe Form angenommen, die wir heute sehen.

(a) Oberflächenbruch, verursacht durch das Erdbeben von San Francisco im Jahr 1906. (b) Oberflächenbruch infolge des Erdbebens von Kaikoura 2016 in Neuseeland. (c) Schematische Darstellung des elastischen Rückprallmodells [1].

Ähnlich wie Erdbeben können auch Sternbeben zur Freisetzung von Energie und einer plötzlichen Änderung des Trägheitsmoments führen, was sich in einem Sprung in der Rotationsperiode des Pulsars (Glitch) äußert. Man geht davon aus, dass dies mit der Energiefreisetzung der Hülle zusammenhängt[4], und dass feste Strangeletters besser dazu geeignet sind, die Amplitude und das Intervall von Periodensprüngen zu erklären als Neutronensterne mit ausschließlich festen Hüllen. Am 11. Dezember 2021 wurde eine ähnliche Vorläuferstrahlung für den kurzen Gammastrahlenausbruch GRB 211211A nachgewiesen, und auch in der Vorläuferstrahlung wurden quasiperiodische Schwingungen (QPO) beobachtet [5].

Mithilfe dieses Sternbebenmodells und der charakteristischen Frequenzen einiger Schwingungsmoden von Strangelet-Sternen im Festkörper können die gesamte Energiefreisetzung und die Frequenz quasiperiodischer Schwingungen der Vorläuferstrahlung anhand des Verschmelzungsprozesses von Strangelet-Sternen und Schwarzen Löchern verstanden werden [6]. Ähnliche Schwingungsmuster sind auch das zentrale Forschungsthema der globalen Seismologie. Darüber hinaus wurden in vielen statistischen Studien zu schnellen Radioblitzen (wie dem Gutenberg-Richter-Gesetz und dem Omori-Gesetz) ähnliche statistische Beziehungen wie zwischen der Häufigkeit und Anzahl von Erdbeben gefunden [7]. Dies deutet darauf hin, dass Sternbeben in kompakten Sternen sehr wahrscheinlich FRBs auslösen, die von Phänomenen wie periodischen Sprüngen und quasi-periodischen Schwingungen kompakter Sterne begleitet werden.

Der asteroseismische Prozess kompakter Objekte weist viele Ähnlichkeiten mit seismischen Aktivitäten auf, was die Vermutung nahelegt, dass zwischen beiden ein enger Zusammenhang besteht. Zugegeben, die Diskussion in diesem Artikel ist höchst spekulativ, aber um die beiden besser vergleichen zu können, müssen wir mehr Informationen aus dem Universum sammeln. Die neue Generation astronomischer Geräte könnte uns Überraschungen bringen und die asteroseismologische Forschung voranbringen. Wir erwarten und glauben, dass das auf der Erdbebentheorie basierende asteroseismische Modell mit der Anhäufung immer häufigerer Beobachtungsphänomene zum Verständnis extremer astronomischer Ereignisse weiter verbessert und weiterentwickelt wird.

【Referenzen】

Lu Ruipeng, Gao Yong, Hu Yan et al. Von Erdbeben bis zu Sternbeben. Wissenschaft in China: Physik, Mechanik und Astronomie, 2024, 54(8): 289501.

Landau L D. Zur Theorie der Sterne. Phys. Zs Sowjet, 1932, 1, 285.

Reid H F. Der Mechanismus des Erdbebens, das Erdbeben in Kalifornien vom 18. April 1906. Bericht der Research Senatorial Commission, Carnegie Institution, Washington, DC, 1910, 2: 16-18.

Baym G, Pines D. Neutronensternbeben und Pulsarbeschleunigung. Annals of Physics, 1971, 66, 816.

Xiao S, Zhang YQ, Zhu ZP, et al. Der quasi-periodisch oszillierende Vorläufer eines langen Gammastrahlenausbruchs aus der Verschmelzung zweier Neutronensterne, ApJ, 2024, 970, 6.

Zhou EP, Gao Y, Zhou YR, et al. Der Vorläufer von GRB211211A: ein durch Gezeiten verursachtes Riesenbeben? RAA, 2024, 24, 025019.

Wang W, Luo R, Yue H, et al. FRB 121102: Ein durch ein Sternenbeben verursachter Repeater? ApJ, 2018, 852, 140.