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Eine Illustration eines Neutronensterns mit „toten Sternen“, bei dem es zu „Störungen“ kommt (Bildnachweis: Carl Knox/OzGrav/Robert Lea (erstellt mit canva))

Wissenschaftler haben möglicherweise das Geheimnis der noch schlagenden Herzen der extremsten „toten Sterne“ des Universums geknackt, und die Erklärung ist verdreht.

Das Team geht davon aus, dass eine Lawine von Quanten-Tornados dieses „Glitching“ im Spin einer Klasse von Neutronensternen, die Pulsare genannt werden, verursacht, wenn sie mit ihren Nachbarn wie die Arme einer Reihe von Kakteen in unmittelbarer Nähe verschränkt werden, wodurch verdrehte und komplexe Muster entstehen.

„Mehr als ein halbes Jahrhundert ist seit der Entdeckung der Neutronensterne vergangen, aber der Mechanismus, warum die Störungen auftreten, ist noch nicht verstanden“, sagte Teammitglied und Hiroshima University Professor Muneto Nitta in einer Erklärung. „Deshalb haben wir ein Modell vorgeschlagen, um dieses Phänomen zu erklären.“

Ein Forscherteam untersuchte 533 Beobachtungen von Pulsaren, um das Rätsel dieser Störungen zu lösen. Sie schlagen vor, dass die Störungen das Ergebnis eines „Quantenwirbelnetzwerks“ sind, das mit den Potenzgesetzberechnungen übereinstimmt, und entwickelten so ein Modell, das im Gegensatz zu früheren Neutronenstern-Störungsmodellen keine „zusätzliche Abstimmung“ benötigt.

Neutronenstern-‚Störungen‘ gehen tief

Neutronensterne entstehen, wenn massereiche Sterne sterben, ihnen der Brennstoff für die Kernfusion ausgeht und sie unter ihrer eigenen Schwerkraft kollabieren. Ihre äußeren Schichten werden in riesigen Supernova-Explosionen weggesprengt. Zurück bleibt ein Sternkern mit der ein- bis zweifachen Masse der Sonne, der auf einen Durchmesser von etwa 12 Meilen (Kilometern) zusammenbricht. Das ist klein genug, um in eine durchschnittliche Stadt auf der Erde zu passen.

Die Folge dieses Zusammenbruchs ist, dass Elektronen und Protonen zusammengedrückt werden und ein Meer von Neutronen entsteht, das so dicht ist, dass ein Esslöffel davon auf der Erde mehr als 1 Milliarde Tonnen wiegen würde, was dem Gewicht des Mount Everest entspräche.

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Das Zerdrücken der Sternkerne ist auch für die schnelle Rotation junger Neutronensterne verantwortlich, von denen einige Geschwindigkeiten von bis zu 700 Umdrehungen pro Sekunde erreichen. Dies ist auf die Erhaltung des Drehimpulses zurückzuführen, was vergleichbar ist mit einem Schlittschuhläufer auf der Erde, der seine Arme einzieht, um die Geschwindigkeit seiner Drehung zu erhöhen.

Frisch „verstorbene“ Neutronensterne oder „Pulsare“ scheinen zu pulsieren, denn während sie sich schnell drehen, senden sie Strahlen von ihren Polen aus. Pulsare werden periodisch heller, wenn ihre Strahlen direkt auf die Erde gerichtet sind, wodurch sie zu pulsieren scheinen (daher ihr Name). Dieses Pulsieren kann mit einem kosmischen „Herzschlag“ verglichen werden, der so präzise ist, dass diese jungen Neutronensterne als kosmische Stoppuhren in so genannten Pulsar-Timing-Arrays verwendet werden können, um den Zeitpunkt himmlischer Ereignisse zu messen.

Es gibt jedoch einen Haken an der Sache. Einige Neutronensterne scheinen gelegentlich zu „glitchen“, d. h. sie beschleunigen kurzzeitig ihre Rotation und die Abgabe ihrer Pulse, wodurch die Regelmäßigkeit ihres Herzschlags gestört wird. Die Ursache für diese Störungen ist geheimnisumwittert.

Pulsarstörungen scheinen einem ähnlichen Muster oder „Leistungsgesetz“ zu folgen wie Erdbeben auf der Erde. Genauso wie Erdbeben niedriger Stärke häufiger auftreten als Beben hoher Stärke, treten Störungen mit niedriger Energie bei Pulsaren häufiger auf als Störungen mit hoher Energie und extreme Störungen.

Eine Illustration eines Neutronensterns im Vergleich zu Manhattan Island (Bildnachweis: NASA’s Goddard Space Flight Center)

Es gibt zwei vorherrschende Mechanismen im Zusammenhang mit Neutronensternstörungen: Sternbeben und winzige Quantenwirbel „Lawinen“, die sich wie mikroskopische Wirbelstürme in der supraflüssigen Suppe bilden, aus der das Innere eines Neutronensterns besteht.

Quantenwirbel werden im Allgemeinen eher als Erklärung akzeptiert als Sternbeben, denn während Sternbeben wie Erdbeben einem Potenzgesetz folgen, lassen sich damit nur schwer alle Arten von Störungen in Neutronensternen erklären. Trotz der größeren Akzeptanz gibt es jedoch keine wirkliche Erklärung dafür, was eine katastrophale Lawine supraflüssiger Wirbel auslösen könnte, die die Oberfläche eines Neutronensterns erreicht und ihn dazu bringt, seine Rotationsgeschwindigkeit zu erhöhen.

„Im Standardszenario gehen die Forscher davon aus, dass eine Lawine von nicht gepinnten Wirbeln den Ursprung der Störungen erklären könnte“, erklärt Nitta in der Pressemitteilung. „Wenn es kein Pinning gäbe, würde das bedeuten, dass das Suprafluid einen Wirbel nach dem anderen freisetzt, was eine sanfte Anpassung der Rotationsgeschwindigkeit ermöglicht. Dann gäbe es keine Lawinen und keine Störungen.“

Nitta fügte hinzu, dass das Modell des Teams keinen zusätzlichen Pinning-Mechanismus benötigt. Dieses Modell muss lediglich eine Struktur berücksichtigen, die aus zwei Arten von Wellen besteht, die sich durch das supraflüssige Innere eines Neutronensterns bewegen: eine „P-Welle“, eine sich schnell bewegende Längswelle, und eine „S-Welle“, eine sich langsamer bewegende Querwelle.

„In dieser Struktur sind alle Wirbel in jedem Cluster miteinander verbunden, so dass sie nicht einzeln freigesetzt werden können“, so Nitta weiter. „Stattdessen muss der Neutronenstern eine große Anzahl von Wirbeln gleichzeitig freisetzen. Das ist der springende Punkt unseres Modells.“

Eine Illustration eines sich schnell drehenden hochmagnetischen Neutronensterns (Bildnachweis: ICE-CSIC – D. Futselaar – Marino et al.)

Ordinäre Materie in Neutronensternen ist ein Widerstand

Das Modell des Teams geht davon aus, dass sich der supraflüssige Kern eines Neutronensterns mit konstanter Geschwindigkeit dreht, aber die nicht supraflüssige „gewöhnliche“ Komponente zieht ihn mit sich. Das Ergebnis ist die Verlangsamung der Rotationsgeschwindigkeit des Neutronensterns durch die Emission von elektromagnetischen Impulsen und winzigen Wellen in Raum und Zeit, die Gravitationswellen genannt werden.

Mit der Zeit wächst der Geschwindigkeitsunterschied, was dazu führt, dass das Innere des Neutronensterns supraflüssige Wirbel ausstößt, die Drehimpulse transportieren, die gewöhnliche Komponente beschleunigen und den Anstieg der Rotationsgeschwindigkeiten verursachen, den wir als Pulsarstörung sehen.

Das Team geht davon aus, dass das Suprafluid in Neutronensternen in zwei Typen unterteilt wird, die erklären, wie diese Wirbel entstehen. S-Wellen-Superfluide, die den äußeren Kern des Neutronensterns dominieren, bieten eine relativ zahme Umgebung, die die Bildung von Wirbeln mit ganzzahligen Spins unterstützt. Im inneren Kern eines Neutronensterns dominiert jedoch die p-Wellen-Superfluidität, die extreme Bedingungen schafft, die Wirbel mit halbzahligem Spin begünstigen.

Das bedeutet, dass sich ein ganzzahliger Spinwirbel in zwei halbzahlige Wirbel aufspaltet, wenn er in den von p-Wellen dominierten inneren Kern eintritt. Dadurch entsteht eine superfluide Struktur, die als „Boojum“ bezeichnet wird und wie ein Kaktus geformt ist. Je mehr Halbwirbel entstehen und durch Boojums verbunden werden, desto komplexer wird die Dynamik der Wirbelcluster. Stellen Sie sich das wie die Arme einer Kaktee vor, die sich mit den Armen einer benachbarten Pflanze verflechten und immer kompliziertere und verdrehtere Muster bilden.

(Main) Das Modell des Quantenwirbelnetzwerks zeigt, dass der innere p-Wellen-Kern (rosa) den äußeren s-Wellen-Kern (grau) umgibt. (Oben rechts) 3D-Konfiguration des Quantenwirbelnetzwerks (Unten rechts) das Netzwerk von oben gesehen (Bildnachweis: Muneto Nitta und Shigehiro Yasui)

Das Team führte Simulationen durch, die zeigten, dass ihr Modell die Störungsenergien realer Neutronensternstörungen sehr gut nachbildet.

„Unser Argument ist zwar einfach, aber sehr überzeugend. Auch wenn wir die p-Wellen-Supraflüssigkeit im Inneren nicht direkt beobachten können, ist die logische Konsequenz ihrer Existenz das Potenzgesetz-Verhalten der Clustergrößen, das wir aus den Simulationen erhalten haben“, sagte Shigehiro Yasui, Mitglied des Teams und außerordentlicher Professor an der Nishogakusha-Universität. „Wenn man dies in eine entsprechende Leistungsgesetz-Verteilung für die Glitch-Energien übersetzt, zeigt sich, dass sie mit den Beobachtungen übereinstimmt.“

„Ein Neutronenstern ist eine ganz besondere Situation, weil sich die drei Bereiche Astrophysik, Kernphysik und Physik der kondensierten Materie an einem Punkt treffen“, schloss Yasui. „Es ist sehr schwierig, ihn direkt zu beobachten, weil Neutronensterne weit weg von uns existieren. Deshalb müssen wir eine tiefe Verbindung zwischen der inneren Struktur und einigen Beobachtungsdaten des Neutronensterns herstellen.“

Die Forschungsergebnisse des Teams wurden in der Zeitschrift Scientific Reports veröffentlicht.