Wie ist ein Neutronenstern aufgebaut? Wie Schokoladenfüllung

Welcher Himmelskörper sieht am köstlichsten aus? Wenn Sie Schokoladenfüllungen mögen, ist dies ein Neutronenstern!

Faszinierende neue Forschungsergebnisse zeigen, dass manche Neutronensterne harte Außenschalen und weiche Kerne haben, während andere weiche Außenschalen und harte innere Kerne haben.

Künstlerische Darstellung eines Neutronensterns, der die gesamte Masse unserer Sonne enthält und zu einer Kugel von der Größe der Stadt Manhattan komprimiert ist.

(Bildnachweis: Goddard Space Flight Center der NASA)

Neue Forschungsergebnisse zeigen, dass Neutronensterne wie verschiedene interstellare Süßigkeiten sind: Leichte Neutronensterne haben eine weiche Außenschale und einen harten Kern, wie eine mit Nüssen gefüllte Schokoladenpraline; während schwere Neutronensterne außen hart und innen weich sind, eher wie Schokoladenfondant.

Um zu dieser Schlussfolgerung zu gelangen, haben die Physiker eine große Zahl innerer Zustandsgleichungen von Neutronensternen aufgelistet und dabei sowohl die Theorie der Kernphysik als auch tatsächliche astronomische Beobachtungen von Neutronensternen berücksichtigt.

„Das Ergebnis ist interessant, weil es uns auf visuelle Weise zeigt, wie komprimiert der Kern eines Neutronensterns sein kann“, sagte Luciano Rezzolla, Astrophysiker am Institut für Theoretische Physik der Goethe-Universität in Deutschland und einer der Autoren der Studie. „Es ist klar, dass Neutronensterne ein bisschen wie Pralinen mit einer Füllung sind: Leichte Neutronensterne sind wie weiche Schokolade mit einer Haselnuss in der Mitte, während schwere Neutronensterne eher wie eine harte Außenschicht mit einer weichen Schokoladenfüllung sind.“

Goethe-Universität Frankfurt. Bildquelle: german-u15

Wenn der Kern eines Sterns eine Masse erreicht, die gleich oder größer als die unserer Sonne ist, kollabiert er zu einem Neutronenstern und der Überrest wird auf die Größe einer Stadt komprimiert, was zu einem extrem dichten Zustand und der Entstehung von Material führt, das so dicht ist, dass ein Teelöffel 4 Milliarden Tonnen wiegen würde.

Aufgrund dieser extremen Bedingungen ist es unmöglich, Neutronensterne auf der Erde effektiv zu simulieren. Das bedeutet, dass das Innere dieser Neutronensterne seit ihrer Entdeckung vor über 60 Jahren weiterhin in Geheimnisse gehüllt ist.

Rizzla und seine Kollegen untersuchten Neutronensterne, indem sie die Schallgeschwindigkeit in ihrem Inneren maßen. Diese Technologie nutzt die Kompression des Ausbreitungsmediums bei der Schallausbreitung, um die Weichheit oder Härte von Objekten mittlerer Größe zu messen und findet im täglichen Leben breite Anwendung. Mit dieser Schallmethode wurden beispielsweise bei der Erforschung des Erdinneren sowie von Öl- und anderen Lagerstätten bemerkenswerte Erfolge erzielt.

Im Diagramm sind schwere Neutronensterne links und leichte Neutronensterne rechts dargestellt. Sie sind so gezeichnet, dass sie wie interstellare Bonbons aussehen. (Bildnachweis: Peter Kiefer, Luciano Rizzella)

Durch Einsetzen der Schallgeschwindigkeit in ihre Zustandsgleichungen stellten die Forscher fest, dass Neutronensterne mit einer Masse von weniger als dem 1,7-Fachen der Sonnenmasse innen weich und außen hart sind, während Neutronensterne mit einer Masse von mehr als dem 1,7-Fachen der Sonnenmasse innen hart und außen weich sind.

Die Forschung des Teams brachte auch einige bisher unbekannte Merkmale von Neutronensternen ans Licht. Insbesondere berechnete das Team, dass der Neutronenstern, egal wie massereich er ist, einen Radius von nur etwa 12 Kilometern zu haben scheint, also etwa dem Durchmesser von Frankfurt, wo sich die Goethe-Universität befindet. Diese einheitliche Größe mag unwahrscheinlich erscheinen, doch alle Neutronensterne beginnen ihr Leben mit einem Kern von 1,18 bis 1,97 Sonnenmassen, und alle kleinen Größenunterschiede verringern sich, wenn der Kern auf einen Radius von nur etwa zehn Kilometern komprimiert wird.

Luftaufnahme der Stadt Frankfurt. Bildquelle: goodfreeephotos

Die Forschung könnte auch dazu beitragen, aufzudecken, wie Neutronensterne in Doppelsternsystemen Gravitationswellen aussenden, winzige Kräuselungen in der Raumzeit, die mit extrem empfindlichen Laserinterferometern auf der Erde gemessen werden können.

„Unsere umfangreiche Datenanalyse ermöglicht es uns nicht nur, den Radius und die maximale Masse von Neutronensternen vorherzusagen, sondern auch, neue Deformationsgrenzen für binäre Neutronensternsysteme festzulegen – also den maximalen Betrag, um den sich zwei Neutronensterne in ihrem Gravitationsfeld zueinander krümmen können“, sagte Christian Ecker, Wissenschaftler an der Universität Utrecht in den Niederlanden und Co-Autor der Studie. „Solche Erkenntnisse werden für die genaue Interpretation unbekannter Zustandsgleichungen bei zukünftigen astronomischen Beobachtungen und für die Erkennung von Gravitationswellen, die durch Sternverschmelzungen verursacht werden, von entscheidender Bedeutung sein.“

Künstlerische Darstellung zweier Neutronensterne, die spiralförmig aufeinander zubewegen, bevor sie verschmelzen. Bildquelle: esa

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Künstlerische Darstellung einer Explosion eines supermagnetischen Neutronensterns, auch Magnetar genannt. Quelle: NASA

Neutronensterne entstehen durch den Kollaps massereicher Überriesensterne mit einer Gesamtmasse zwischen dem 10- und 25-fachen der Sonnenmasse oder mehr, wenn der Stern reich an Eisen ist. Abgesehen von Schwarzen Löchern und anderen hypothetischen Himmelskörpern (wie Weißen Löchern, Quarksternen und seltsamen Sternen) sind Neutronensterne die kleinsten und dichtesten bekannten Himmelskörper. Dem aktuellsten Fokusbereich im ausgewählten Abschnitt werden neue Inhalte hinzugefügt.

Neutronensterne entstehen durch den Kollaps massereicher Überriesensterne mit einer Gesamtmasse zwischen dem 10- und 25-fachen der Sonnenmasse oder mehr, wenn der Stern reich an Eisen ist. Abgesehen von Schwarzen Löchern und anderen hypothetischen Himmelskörpern (wie Weißen Löchern, Quarksternen und seltsamen Sternen) sind Neutronensterne die kleinsten und dichtesten bekannten Sternobjekte. Neutronensterne haben einen Radius von etwa 10 Kilometern und eine Masse, die etwa 1,4-mal so groß ist wie die der Sonne. Sie entstehen durch Supernova-Explosionen und schrumpfen durch den Gravitationskollaps. Durch den Gravitationskollaps übersteigt die Dichte von Neutronensternen die von Weißen Zwergen und erreicht die Dichte von Atomkernen.

VON: Robert Lea

FY: Ein High-School-Veteran

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