Eine künstlerische Darstellung eines der kühlen Neutronensterne. Bildnachweis: ICE-CSIC/D. Futselaar/Marino et al.(Bildnachweis: ICE-CSIC – D. Futselaar – Marino et al.)
Wissenschaftler haben herausgefunden, dass drei Neutronensterne, die im Feuer anderer explodierender Sterne entstanden sind, überraschend schnell abgekühlt sind, was uns dem Verständnis der exotischen Natur der Materie in den Kernen dieser extremen Objekte näher bringt.
Die Entdeckung wurde von einem spanischen Team unter der Leitung von Alessio Marino vom Institut für Weltraumwissenschaften (ICE-CSIC) in Barcelona mit europäischen und amerikanischen Weltraumteleskopen gemacht, die mit Röntgenlicht arbeiten.
Ein Neutronenstern ist der kollabierte Kern eines massereichen Sterns, der zur Supernova wurde, und kann bis zu dreimal so viel Masse wie unsere Sonne in einem kugelförmigen Volumen mit einem Durchmesser von nur etwa 11 km enthalten. Durch die Verdichtung der Materie auf so engem Raum gehören Neutronensterne zu den dichtesten Materieansammlungen im bekannten Universum, gleich nach den Schwarzen Löchern. Um diese Aussage zu verdeutlichen, sollte man sich vor Augen führen, dass ein Esslöffel Neutronensternmaterial mit der Masse des Mount Everest vergleichbar ist.
Diese extreme Beschaffenheit bedeutet auch, dass die Physik, die das Innere von Neutronensternen regiert, im Dunkeln bleibt. Diese Objekte werden Neutronensterne genannt, weil ihre Materie so stark zerdrückt wurde, dass negativ geladene Elektronen und positiv geladene Protonen zusammengedrückt werden, wodurch die elektrostatische Kraft zwischen ihnen überwunden wird und ein Objekt entsteht, das nur aus neutralen Neutronen besteht. Tiefer im Kern eines Neutronensterns könnte die Materie sogar noch stärker zerkleinert werden und exotische, noch nie dagewesene Teilchen wie hypothetische Hyperonen bilden. Vielleicht, so glauben die Wissenschaftler, könnten auch die Neutronen selbst innerhalb eines Neutronensterns zerplatzen und eine Suppe der fundamentalsten Teilchen des Universums bilden: Quarks.
Was im Inneren eines Neutronensterns geschieht, wird durch die Zustandsgleichung des Neutronensterns bestimmt. Man kann sich das wie ein Spielbuch vorstellen, das die innere Struktur und Zusammensetzung eines Neutronensterns anhand von Faktoren wie Masse, Temperatur, Magnetfeld usw. bestimmt. Das Problem ist, dass die Wissenschaftler buchstäblich Hunderte von Möglichkeiten haben, wie diese Zustandsgleichung aussehen könnte. Da wir die Bedingungen im Inneren eines Neutronensterns auf der Erde nicht nachbilden können, hängt die Prüfung, welches Modell das richtige ist, in hohem Maße davon ab, ob sie mit den astronomischen Beobachtungen übereinstimmen.
Die Entdeckung von drei Neutronensternen mit wesentlich niedrigeren Oberflächentemperaturen im Vergleich zu anderen Neutronensternen ähnlichen Alters hat jedoch einen wichtigen Hinweis geliefert, der es den Forschern ermöglicht, drei Viertel der möglichen Modelle für die Zustandsgleichung von Neutronensternen auf einen Schlag auszuschließen. Zwei der Neutronensterne sind Pulsare, d. h. sich schnell drehende Neutronensterne, die Radiostrahlen auf uns abfeuern. Der dritte Neutronenstern, im Supernova-Überrest Vela Jr, zeigt kein Pulsarverhalten, aber das könnte daran liegen, dass seine Radiostrahlen nicht in unsere Richtung zeigen.
Erhalten Sie den kosmischeweiten.de Newsletter
Die Neutronensterne wurden mit dem XMM-Newton-Teleskop der Europäischen Weltraumorganisation und dem Chandra-Röntgenobservatorium der NASA bei Röntgenwellenlängen entdeckt.
„Die hervorragende Empfindlichkeit von XMM-Newton und Chandra ermöglichte es nicht nur, diese Neutronensterne zu entdecken, sondern auch genug Licht zu sammeln, um ihre Temperaturen und andere Eigenschaften zu bestimmen“, sagte Camille Diez, Wissenschaftlerin für XMM-Newton bei der Europäischen Weltraumorganisation, in einer Erklärung.
Je heißer ein Neutronenstern ist, desto energiereicher ist seine Röntgenstrahlung, und die Energie der Röntgenstrahlung dieser drei Neutronensterne sagt uns, dass sie im Vergleich zu Neutronensternen ziemlich kühl sind. Wir sagen „kühl“, aber die Neutronensterne sind immer noch außergewöhnlich heiß, mit Temperaturen zwischen 1,9 Millionen und 4,6 Millionen Grad Celsius (3,4 Millionen bis 8,3 Millionen Grad Fahrenheit). Für ihr junges Alter, das je nach Größe und Expansionsgeschwindigkeit der sie umgebenden Supernova-Überreste zwischen 840 und 7.700 Jahren liegt, gelten sie jedoch als außerordentlich kalt. Neutronensterne werden mit Temperaturen von Hunderten von Milliarden oder sogar einer Billion Grad geboren, und während sie abkühlen, haben andere Neutronensterne ähnlichen Alters doppelt so hohe Temperaturen – manchmal sogar noch heißer.
Neutronensterne können über zwei Mechanismen abkühlen. Der eine ist die Wärmestrahlung von ihrer Oberfläche, durch die Wärmeenergie in die Kälte des Weltraums entweicht. Der andere ist die Neutrinoemission, die dem Kern eines Neutronensterns Energie entzieht und vermutlich für die schnelle Abkühlung dieses speziellen Neutronenstern-Trios verantwortlich ist.
Wie schnell Neutronensterne aufgrund dieser Mechanismen abkühlen können, hängt jedoch von der Zustandsgleichung ab.
„Das junge Alter und die kalte Oberflächentemperatur dieser drei Neutronensterne lassen sich nur durch einen schnellen Abkühlungsmechanismus erklären“, so einer der Forscher, Nanda Rea vom Institut für Weltraumwissenschaften und Institut für Weltraumstudien in Katalonien, in der Erklärung. „Da eine verstärkte Abkühlung nur durch bestimmte Zustandsgleichungen aktiviert werden kann, erlaubt uns dies, einen bedeutenden Teil der möglichen Modelle auszuschließen.“
Das Team schätzt, dass drei Viertel aller möglichen Modelle nach diesem Ergebnis verworfen werden können. Die Forscher konnten dies durch die Berechnung von Abkühlungskurven feststellen, die im Grunde genommen Diagramme sind, die zeigen, wie Neutronensterne im Laufe der Zeit abkühlen. Die Form der Kurve hängt stark von den Eigenschaften der Neutronensterne wie Masse und Magnetfeldstärke ab. Mithilfe von maschinellem Lernen berechnete das Team daher den Bereich der Parameter, die jede Abkühlungskurve am besten beschreiben, und glich diese dann mit potenziellen Zustandsgleichungen ab, um zu sehen, welche noch passen und welche verworfen werden können, weil sie keine Chance haben, die Daten zu erfüllen.
Dieser Prozess hat den Bereich möglicher Zustandsgleichungen eingegrenzt, aber die Ergebnisse sind mehr als nur eine Charakterisierung von Neutronensternen. Das Verhalten von Materie auf subatomarer Ebene unter starkem Druck, extremer Temperatur und erdrückender Schwerkraft führt auch zu Quanteneffekten. Derzeit fehlt den Wissenschaftlern eine Quantentheorie der Schwerkraft, und eine Zustandsgleichung für Neutronensterne könnte uns daher auf den Weg bringen, Quanteneffekte und die Physik der hohen Schwerkraft endlich in einer einzigen Theorie zusammenzuführen.
Die Ergebnisse werden in einem Artikel beschrieben, der am 20. Juni in der Zeitschrift Nature Astronomy veröffentlicht wurde.
