Neutronensterne sind unglaublich kompakte Objekte, die nach dem Tod eines Sterns entstehen können. Über ihre Innenausstattung ist jedoch wenig bekannt. Seit ihrer Entdeckung versuchen Wissenschaftler, ihre Struktur zu entschlüsseln.
Da sie auf der Erde in einem Labor kaum dupliziert werden können, besteht das größte Hindernis darin, die harten Bedingungen in Neutronensternen zu simulieren. Daher gibt es zahlreiche Modelle, in denen verschiedene Attribute wie Temperatur und Dichte über sogenannte Zustandsgleichungen definiert werden. Diese Gleichungen versuchen, die Struktur von Neutronensternen von der Sternoberfläche bis zum inneren Kern zu charakterisieren.
Jetzt Physiker an Goethe-Universität Frankfurt ist es gelungen, dem Puzzle weitere entscheidende Teile hinzuzufügen. Sie haben mehr als eine Million Zustandsgleichungen entwickelt, die den Beschränkungen genügen, die einerseits durch Daten aus der theoretischen Kernphysik und andererseits durch astronomische Beobachtungen gesetzt werden.
Bei der Auswertung der Zustandsgleichungen fanden die Physiker Überraschendes: „Licht“ Neutronensterne (mit Massen kleiner als etwa 1.7 Sonnenmassen) scheinen einen weichen Mantel und einen steifen Kern zu haben, während „schwere“ Neutronensterne (mit Massen größer als 1.7 Sonnenmassen) stattdessen einen steifen Mantel und einen weichen Kern haben.
Prof. Luciano Rezzolla sagte: „Dieses Ergebnis ist sehr interessant, weil es uns ein direktes Maß dafür gibt, wie kompressibel das Zentrum von Neutronensternen sein kann. Neutronensterne verhalten sich ein bisschen wie Schokoladenpralinen: Lichtsterne ähneln denen Pralinen mit einer Haselnuss in der Mitte, umgeben von weicher Schokolade, während schwere Sterne eher als Pralinen betrachtet werden können, bei denen eine harte Schicht eine weiche Füllung enthält.“
Für diese Erkenntnis ist die Schallgeschwindigkeit entscheidend. Diese quantitative Metrik, die sich darauf stützt, wie steif oder flexibel die Materie ist, beschreibt die Geschwindigkeit, mit der sie sich bewegt Schallwellen sich in einem Gegenstand bewegen. Auf der Erde werden Ölvorkommen gefunden, und die das Innere des Planeten wird mit Schallgeschwindigkeit erforscht.
Durch die Modellierung der Zustandsgleichungen konnten die Wissenschaftler auch weitere, bisher unentdeckte Eigenschaften von Neutronensternen identifizieren. Zum Beispiel haben sie höchstwahrscheinlich einen Radius von nur 12 Kilometern, unabhängig von ihrer Masse. Sie haben den gleichen Umfang wie Frankfurt.
Autor Dr. Christian Ecker , erklärt: „Unsere umfangreiche numerische Studie erlaubt uns nicht nur, Vorhersagen für die Radien und maximalen Massen von Neutronensternen zu treffen, sondern auch neue Grenzen für ihre Verformbarkeit in Doppelsternsystemen zu setzen, also wie stark sie sich durch ihre gegenseitige Verzerrung verzerren Gravitationsfelder. Diese Erkenntnisse werden besonders wichtig, um die unbekannte Zustandsgleichung mit zukünftigen astronomischen Beobachtungen und Nachweisen von Gravitationswellen von verschmelzenden Sternen zu lokalisieren.“
Zeitschriftenreferenzen:
- Sinan Altiparmak, Christian Ecker, Luciano Rezzolla: Über die Schallgeschwindigkeit in Neutronensternen. Die astrophysikalischen Zeitschriftenbriefe (2022) DOI: 10.3847/2041-8213/ac9b2a
- Christian Ecker & Luciano Rezzolla: Eine allgemeine, skalenunabhängige Beschreibung der Schallgeschwindigkeit in Neutronensternen. Die astrophysikalischen Zeitschriftenbriefe (2022) DOI: 10.3847/2041-8213/ac8674
