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Astronomie+Physik

Ein Schwergewicht unter den Neutronensternen

Pulsar
Millisekundenpulsar (hinten) mit einem Weißen Zwerg als Partner. (Bild: BSaxton, NRAO/AUI/NSF)

Neutronensterne sind klein, aber extrem dicht – schon ein wenig mehr Masse würde sie zum Schwarzen Loch kollabieren lassen. Doch wo die absolute Massenobergrenze dieser Sternenrelikte liegt, ist bislang unklar. Jetzt haben Astronomen einen der massereichsten bislang bekannten Neutronensterne entdeckt. Es handelt sich um einen schnell rotierenden Neutronenstern, einen Millisekundenpulsar, in rund 4600 Lichtjahren Entfernung. Mit 2,14 Sonnenmassen liegt dieses Objekt sehr nahe an der Massenobergrenze für Neutronensterne – und das wiederum könnte Rückschlüsse auf die Beschaffenheit seines Inneren ermöglichen.

Neutronensterne entstehen, wenn massereiche Sterne in einer Supernova explodieren. Dabei kollabiert der Sternenkern unter seiner eigenen Schwerkraft zu einem nur 15 bis 30 Kilometer kleinen, aber extrem dichten Objekt. In einem solchen Neutronenstern ist die Materie so stark komprimiert, dass ein zuckerwürfelgroßes Stück davon auf der Erde 100 Millionen Tonnen wiegen würde. Als Konsequenz des enormen Drucks im Inneren dieser Sternenrelikte bricht selbst die normale Atomstruktur zusammen und Elektronen aus der Hülle verschmelzen mit Protonen aus dem Kern zu Neutronen. Es entsteht ein exotisches Material, das nur aus Neutronen besteht – daher der Name. Ein Neutronenstern ist jedoch in seiner Größe und Masse begrenzt: Jüngsten Berechnungen zufolge können nichtrotierende Neutronensterne nicht schwerer werden als 2,16 Sonnenmassen – sonst kollabieren sie zum Schwarzen Loch.

Exotische Materiezustände

Doch ob diese Masse wirklich die absolute Obergrenze bildet und wie viele besonders massereiche Neutronensterne im All existieren, ist bislang unklar. Doch dieses Wissens ist entscheidend, um Rückschlüsse auf die Beschaffenheit der Materie im Inneren dieser Sternenrelikte ziehen zu können. Denn um dem Schwerkraftkollaps zum Schwarzen Loch zu widerstehen, muss das Neutronenstern-Material extrem dicht und gleichzeitig extrem stabil sein. Doch welcher exotische Materiezustand dies ermöglicht, darüber können Astrophysiker bisher nur spekulieren. „Neutronensterne sind ebenso rätselhaft wie faszinierend“, sagt Erstautor Thankful Cromartie von der University of Virginia in Charlottesville. „Sie sind so massereich, dass ihr Inneres exotische Eigenschaften annimmt. Ihre maximale Masse zu kennen, kann uns daher eine ganze Menge über dieses anderweitig unzugängliche Reich der Astrophysik verraten.“

Einen Schritt in diese Richtung ermöglicht nun ein Neutronenstern, der sich nahe an der bisher bekannten Maximalgrenze für diese ultradichten Objekte bewegt. Es handelt sich um einen 30 Kilometer großen Millisekundenpulsar – einen schnellrotierenden Neutronenstern, der regelmäßige, starke Radiopulse aussendet. PSR J0740+6620 liegt rund 4600 Lichtjahre von der Erde entfernt und bildet mit einem Weißen Zwerg ein Doppelsystem. Cromartie und seine Kollegen haben die Anwesenheit dieses größeren, aber leichteren Partners genutzt, um die Masse des Millisekundenpulsars relativ genau zu vermessen. Dafür nutzten sie den Effekt der sogenannten Shapiro-Verzögerung: Wenn der Pulsar hinter dem Weißen Zwerg vorbeiläuft, werden seine Radiopulse von der Schwerkraft seines größeren Partners abgelenkt. Dadurch verzögern sich die Pulse um wenige Millisekunden. Aus dem Ausmaß dieser Verzögerung haben die Forscher zunächst die Masse des Weißen Zwergs ermittelt. Dies wiederum ermöglichte es ihnen, auch die Masse des Neutronensterns mit relativ hoher Präzision abzuschätzen.

Nahe am Maximalwert

Die Berechnungen ergaben: Der Millisekundenpulsar besitzt eine Masse von 2,14 Sonnenmassen. „J0740+6620 ist damit höchstwahrscheinlich der bislang massereichste, genauer vermessene Neutronenstern“, berichten Cromartie und seine Kollegen. Wie die Astronomen erklären, sind noch zwei andere Millisekundenpulsare bekannt, deren Masse ähnlich genau bestimmt werden konnte wie die von J0740+66. Sie sind nur knapp leichter als der jetzt vermessene Neutronenstern. „Damit ist klar, dass diese massereichen Neutronensterne einen erheblichen Anteil der Population ausmachen – das könnte substanzielle Bedeutung für unser Verständnis der Entwicklung von Millisekundenpulsaren in Doppelsystemen haben“, so Cromartie und sein Team.

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Gleichzeitig liefert die Existenz viele massereicher Neutronensterne wertvolle Hinweise auf den Materiezustand in ihrem Inneren. „Schon kleinste Zunahmen in der gemessenen Masse der Neutronensterne erfordern ein Umdenken der fundamentalen Physik, die in ihrem Inneren am Werk ist“, sagen die Astronomen. Dies gelte auch für die aktuellen Ergebnisse. Aus diesem Grund versuchen sie und viele ihrer Kollegen herauszufinden, wo nun tatsächlich die absolute Höchstgrenze für einen Neutronenstern liegt.

Quelle: Thankful Cromartie (University of Virginia, Charlottesville) et al., Nature Astronomy, doi: 10.1038/s41550-019-0880-2

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