Wenn ein Kubikzentimeter Neutronensternmaterie auf die Erde gelangt, wird sie in der Atmosphäre verglühen oder die Erde durchschlagen?

Dieser Artikel basiert auf der Beantwortung ähnlicher Fragen von Internetnutzern.

Neutronensternmaterie kann nicht von der Umgebung des Neutronensterns getrennt werden und gelangt nicht auf die Erde. Daher stellt sich die Frage, ob sie vollständig verbrannt werden kann oder nicht, nicht, und für dieses Problem gibt es keine Lösung.

Neutronensterne gehören nicht zur Kategorie der gewöhnlichen Sterne. Sie sind die Überreste der Sterne nach ihrem Tod, man kann sie auch als Leichen bezeichnen. Es gibt vier Arten von Sternleichen: Schwarze Zwerge, Weiße Zwerge, Neutronensterne und Schwarze Löcher. Schwarze Zwerge sind die Überreste massearmer roter Zwergsterne. Aufgrund der extrem langen Lebensdauer roter Zwerge gab es solche Leichen bisher nicht; Weiße Zwerge sind die Leichen kleiner und mittelgroßer Sterne wie der Sonne. Es gibt viele von ihnen im Universum, sie machen etwa 10 % der Gesamtzahl der Sterne aus; Neutronensterne sind die Leichen von Sternen mittlerer bis großer Masse mit der 8- bis 30-fachen Masse der Sonne, und Schwarze Löcher sind die Leichen von Sternen mit einer Masse von mehr als dem 30- bis 40-fachen der Sonnenmasse.

Weiße Zwerge und Neutronensterne sind eine spezielle entartete Materie

Der sogenannte entartete Zustand bedeutet, dass die Atome, aus denen die normale Materie der Erde besteht, unter extremem Druck zerquetscht werden und zu einer besonders dichten Materie werden. Ein Atom besteht ursprünglich aus einem Atomkern und äußeren Elektronen. Der Atomkern macht 99,96 % der Atommasse aus, sein Volumen beträgt jedoch nur Hundertmilliarden bis Billionstel des Atoms.

Dies bedeutet, dass zwischen dem Atomkern und der äußeren Elektronenschale ein riesiger Raum besteht, sodass die Materie nach der Zerstörung des Atoms sehr dicht wird. Aus diesem Grund ist die Materiedichte von Weißen Zwergen und Neutronensternen extrem hoch.

Nach dem Pauli-Prinzip der Quantenmechanik haben Fermionenteilchen die Eigenschaft, sich gegenseitig abzustoßen, ähnlich wie Kinder, die beim Spielen nicht gerne zusammendrängen, sich aber abstoßen, sobald sie sich näher kommen. Elektronen, Protonen und Neutronen sind allesamt Fermionenteilchen. Wenn also die äußere Hülle der Elektronen eines Atoms zerstört wird, stoßen sich diese Elementarteilchen gegenseitig ab und versuchen, sich nicht zu nahe zu kommen. Diese gegenseitige Abstoßung erzeugt eine Art Druck, der als Entartungsdruck bezeichnet wird.

Der Entartungsdruck wird mit zunehmender Tiefe größer. Der Weiße Zwerg ist auf den Entartungsdruck der Elektronen angewiesen, um dem enormen Gravitationsdruck standzuhalten. Das heißt, die Elektronenhülle des Atoms existiert noch, ist aber komprimiert. Bei einer gewissen Kompression entsteht durch die Unverträglichkeit zwischen den Elektronen eine gewisse Stützkraft, die dem Gravitationsdruck widersteht und einen gewissen Abstand zwischen dem Kern und den Elektronen aufrechterhält, sodass der Kern intakt bleibt. Auf diese Weise beträgt die Dichte eines Weißen Zwergs nur 1–10 Tonnen/cm³, was weitaus geringer ist als die eines Neutronensterns.

Wenn der Weiße Zwerg die Chandrasekhar-Grenze erreicht, die der 1,44-fachen Sonnenmasse entspricht, kann der Entartungsdruck der Elektronen dem erhöhten Gravitationsdruck nicht mehr standhalten. Der Entartungsdruck der Elektronen wird zerstört und der Raum zwischen dem Elektron und dem Kern verschwindet. Das Elektron wird hilflos in den Kern komprimiert.

Elektronen sind negativ geladen und Protonen im Kern sind positiv geladen. Die Anzahl der Elektronen am äußeren Rand eines Atoms entspricht genau der Anzahl der Protonen im Atomkern. Sobald die positiven und negativen Ladungen neutralisiert sind, werden die Protonen zu Neutronen. Der Atomkern besteht ursprünglich aus Neutronen und Protonen, die durch starke Kräfte miteinander verbunden sind. Jetzt sind auch die Protonen zu Neutronen geworden und der gesamte Planet ist zu einem großen Neutronenkern geworden, der vollständig aus Neutronen besteht. Daher ist dieser Planet ein Neutronenstern.

Der Neutronenentartungsdruck zwischen Neutronen ist stärker als der zwischen Elektronen, was die Form eines Neutronensterns kaum unterstützt. Daher entspricht die Dichte eines Neutronensterns der eines Atomkerns oder ist sogar dichter als ein Atomkern. Diese Art von Materie wird als neutronenentartete Materie bezeichnet.

Ein Weißer Zwerg ist etwa so groß wie die Erde und hat eine Masse zwischen 0,5 und 1,44 Mal so groß wie die Sonne. Ein Neutronenstern hat eine Masse zwischen dem 1,44- und 3-fachen der Sonnenmasse, aber einen Radius von nur etwa 10 km. Infolgedessen ist seine Dichte viel höher als die eines Weißen Zwergs und erreicht etwa 1 Milliarde Tonnen pro Kubikzentimeter.

Wenn die Masse des Neutronensterns größer wird und die Oppenheimer-Grenze erreicht, die bei etwa drei Sonnenmassen oder mehr liegt, kann der durch die Abstoßungskraft zwischen den Neutronen entstehende Entartungsdruck der Neutronen dem starken Gravitationsdruck nicht mehr standhalten und wird plötzlich komprimiert. Der Fachbegriff dafür lautet Kollaps oder Kollaps, d. h. die Umwandlung in einen Quarkstern, der durch einen stärkeren Entartungsdruck unterstützt wird, oder der direkte Kollaps in ein Schwarzes Loch.

Da man bislang noch nicht die Existenz von Quarksternen entdeckt hat, geht man allgemein davon aus, dass ein Neutronenstern, dessen Masse die Oppenheimer-Grenze überschreitet, direkt zu einem Schwarzen Loch kollabiert.

Die sogenannte Chandrasek-Grenze und Oppenheimer-Grenze sowie das Pauli-Prinzip wurden in früheren Artikeln bereits mehrfach vorgestellt, daher werde ich sie hier nicht wiederholen.

Neutronenentartete Materie kann außerhalb eines Neutronensterns nicht existieren

Aus den oben genannten Bedingungen für die Entstehung von Weißen Zwergen und Neutronensternen können wir schließen, dass weder Elektronen- noch Neutronen-entartete Materie unabhängig voneinander existieren können, ohne dass die Bedingungen für ihre Existenz gegeben sind. Denn wenn sie sich außerhalb bestimmter Bedingungen befinden, ist der enorme Gravitationsdruck, den sie erzeugen, nicht mehr vorhanden und diese Substanzen sind nicht in der Lage, den entarteten Druck aufrechtzuerhalten. Stattdessen dehnen sie sich schnell aus und kehren in ihren atomaren Zustand zurück, wobei sie zu normaler Materie aus neutralen Atomen werden, die auf unserer Erde existiert.

Weiße Zwerge und Neutronensterne sind Himmelskörper mit extrem rauen Umgebungsbedingungen. Mit den gegenwärtigen wissenschaftlichen und technologischen Möglichkeiten der Menschheit können wir sie nur aus der Ferne beobachten und ihnen nicht nahe kommen. Vor allem Neutronensterne sind äußerst furchteinflößende Himmelskörper. Ihre Gravitationskraft wird nur von der der Schwarzen Löcher übertroffen. Die Oberflächengravitation kann das Hundertmilliardenfache der Erdgravitation erreichen. Die maximale Fluchtgeschwindigkeit muss die Hälfte der Lichtgeschwindigkeit erreichen, also 150.000 km/s.

Von Raumfahrzeugen ganz zu schweigen: Wenn ein Mensch von der Schwerkraft eines Neutronensterns erfasst und mitgerissen wird und schließlich mit hoher Geschwindigkeit auf die Oberfläche des Neutronensterns aufschlägt, kann die Energie die Kraft von Hunderten Millionen Tonnen Sprengstoff erreichen, was etwa der Kraft von 20.000 Hiroshima-Atombomben entspricht. Selbst eine Explosion dieser furchterregenden Kraft würde durch die enorme Schwerkraft eines Neutronensterns unterdrückt und die Höhe der von ihm erzeugten Wellen wäre kleiner als die eines Staubkorns.

Die Temperatur eines Neutronensterns kann Hunderte von Milliarden bis Billionen Grad erreichen, der atmosphärische Oberflächendruck ist 10^21-mal (10 Billionen Mal) höher als der Druck im Erdkern und das Magnetfeld ist Milliarden Mal stärker als das der Erde. Da Neutronensterne den Drehimpuls ihrer ursprünglichen Sterne erben, rotieren sie im Allgemeinen mit hoher Geschwindigkeit, wobei die schnellsten Tausende von Umdrehungen pro Sekunde erreichen können. Da seine Magnetpole in einem bestimmten Winkel von seiner Rotationsachse versetzt sind, strahlen starke elektromagnetische Impulse kontinuierlich in den Weltraum ab, wie ein rotierender Leuchtturm. Wenn sie die Erde passieren, werden sie von Radioteleskopen erfasst und zu entdeckten Pulsaren.

Als sogenannter Pulsar bezeichnet man daher das elektromagnetische Impulssignal eines Neutronensterns, das durch den Weltraum fegt und vom Menschen erfasst wird.

Unter solch extremen Bedingungen starker Schwerkraft und Drucks ist die Oberfläche eines Neutronensterns so glatt, dass nicht einmal ein Staubkorn darauf vorhanden ist. Wie konnte Materie vom Neutronenstern abfallen?

Veränderungen neutronenentarteter Materie nach dem Verlassen eines Neutronensterns

Bisher gibt es für neutronenentartete Materie nur einen relativ sicheren Weg, einem Neutronenstern zu entkommen, und das ist eine Kollision zwischen Neutronensternen. Zur Frage, ob ein Neutronenstern explodiert, wenn seine Masse durch Akkretion eine Obergrenze erreicht, und dabei neutronenentartete Materie aus dem Neutronenstern ausstößt, liegen bislang keine Beobachtungs- oder Forschungsdaten vor.

Am 17. August 2017 entdeckten Wissenschaftler Gravitationswellen, die durch die Kollision zweier Neutronensterne in 130 Millionen Lichtjahren Entfernung verursacht wurden, und beobachteten einen starken Gammastrahlenausbruch. Durch wissenschaftliche Modellierung gehen Wissenschaftler davon aus, dass das Gravitationswellenereignis mit der Nummer GW170817, die Fragmente der Kollision zwischen zwei Neutronensternen, einige leichte Elemente wie Wasserstoff und Helium sowie schwere Metallelemente wie Gold, Silber, Kupfer, Eisen, Wolfram, Nickel und Blei gebildet hat. Das Gold in diesem Ereignis wiegt bis zu 300 Erdmassen.

Denken Sie nicht, dass 300 Erdmassen viel sind, für den Verlust eines Neutronensterns ist das nur eine kleine Menge. Die untere Grenze der Masse eines Neutronensterns liegt bei der 1,44-fachen Masse der Sonne, während die Masse der Erde nur ein 330.000stel der Sonnenmasse beträgt. Durch die Kollision zweier Neutronensterne wurden 300 Erdmassen abgerissen, was nur wenige Tausendstel ihrer Gesamtmasse ausmacht.

Man kann erkennen, dass die entartete Neutronenmaterie, sobald sie den Neutronenstern verlässt und nicht mehr durch den starken Gravitationsdruck eingeschränkt wird, zu normaler Materie wird. Aber sie werden nicht plötzlich zu dem, was sie sind, wenn sie getrennt werden; es gibt einen Prozess. Erstens dehnt sich die weggeschleuderte, neutronenentartete Materie schnell aus, sobald sie den Gravitationsdruck des Neutronensterns verlässt, und ihr ausgedehntes Volumen erreicht das Tausend- bis Zehntausendfache ihrer ursprünglichen Größe. Diese Expansion wird natürlich von einer Explosion begleitet sein, und dies ist die erste Explosion.

Nach der ersten Explosion ist die Materie zu diesem Zeitpunkt keine normale Materie, sondern nur ein Neutronenhaufen, der sich noch im Neutronenzustand befindet.

Zu diesem Zeitpunkt findet in ihnen ein Betazerfall statt. Dieser Vorgang dauert etwa 15 Minuten. Wenn dieser Prozess abgeschlossen ist, wird es zu einer größeren Ausdehnung, also einer heftigeren Explosion kommen. Bei der Explosion kehrt die Materie in ihren Normalzustand zurück und bildet verschiedene auf der Erde vorkommende Substanzen, die aus neutralen Atomen bestehen.

Es wird allgemein angenommen, dass Edelmetalle wie Gold auf der Erde hauptsächlich aus solchen Ereignissen im Universum stammen. Diese Edelmetalle schweben im Universum, kondensierten bei der Entstehung der Erde in den Tiefen der Erde oder drangen in Form von Meteoritenschauern in die Erdkruste ein. Auch heute noch können diese im Weltraum schwebenden Edelmetalle in Form von Meteoren und Meteoriten auf die Erde fallen.

Daher ist es für Neutronensternmaterie unmöglich, in die Erdatmosphäre einzudringen.

An diesem Punkt sollte wohl jeder verstanden haben, warum es für Neutronensternmaterie unmöglich ist, in die Erdatmosphäre einzudringen, oder? Es wurde festgestellt, dass der uns am nächsten gelegene Neutronenstern Hunderte bis Tausende Lichtjahre entfernt ist. Die einzige Voraussetzung dafür, dass Neutronensternmaterie aus einem Neutronenstern entweichen kann, ist eine Kollision zwischen den Neutronensternen. Die Fragmente der Kollision zerfallen innerhalb von 15 Minuten in normale Materie. Wie ist es also möglich, dass eine so extrem hohe Dichte an entarteter Neutronenmaterie in den Himmel über der Erde gelangt?

Da es so etwas nicht gibt, wäre es sinnlos, darüber zu sprechen, was passieren würde, wenn es in die Atmosphäre gelangte. Manche Leute bestehen jedoch darauf, dieser Frage nachzugehen. Lassen Sie mich also darüber nachdenken, was die Folgen wären, wenn ein Esslöffel Neutronensternmaterie tatsächlich in der Atmosphäre zerfallen würde?

Dann stellt sich definitiv nicht die Frage, ob die Neutronensternmaterie vollständig verbrannt werden kann, sondern ob die Erde verbrennt.

Wir gehen davon aus, dass dieses Stück neutronenentarteter Materie 1 Kubikzentimeter groß ist. Wenn Neutronensternmaterie zerfällt und sich in Materie verwandelt, kommt es im Allgemeinen zu einem Masseverlust. Dieser Verlust ist vergleichbar mit dem bei der Kernspaltung und beträgt etwa 0,1 %. Wenn die Materiedichte dieses Neutronensterns 1 Milliarde Tonnen/cm^3 beträgt, beträgt der Massenverlust beim Zerfall in normale Materie etwa 1 Million Tonnen.

Die verlorene Materie wird in Energie umgewandelt und freigesetzt. Gemäß Einsteins Masse-Energie-Gleichung E=MC^2 beträgt diese Energie etwa 9*10^25J (Joule), was der Sprengkraft von 215 Millionen Tonnen TNT entspricht (die Energie jeder Tonne Sprengstoff beträgt etwa 4184.000.000J), also der Kraft von etwa 165 Milliarden Hiroshima-Atombomben (jede mit einem TNT-Äquivalent von etwa 13.000 Tonnen), die gleichzeitig explodieren.

Der Gesamtwert der Atomsprengköpfe, die sich derzeit in den Besitz verschiedener Länder weltweit befinden, beträgt lediglich etwa 10 Milliarden Tonnen TNT. Die von einem Kubikzentimeter Neutronensternmaterie freigesetzte Energie entspricht mehr als dem 200-Millionenfachen der Gesamtmenge aller im Besitz der Menschheit befindlichen Atombomben oder der Aufprallkraft von 215 Asteroiden, die vor 65 Millionen Jahren auf die Erde trafen und das Aussterben der Dinosaurier verursachten. Bei einer solchen Explosion würden wahrscheinlich Pilze umkommen, von Menschen ganz zu schweigen.

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