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STERNE
Massengrenze für Neutronensterne
Redaktion / idw / Pressemitteilung der Universität Frankfurt
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12. April 2016

Wie groß ist die Masse, die ein Neutronenstern noch aufnehmen kann, ohne zum Schwarzen Loch zu kollabieren? Und welche Rolle spielt dabei die Rotation des Sterns um die eigene Achse, die der gravitativen Massenanziehung entgegenwirkt? Astronomen der Universität Frankfurt glauben hierauf jetzt eine relativ einfache Antwort gefunden zu haben.

Neutronenstern

Simulation der Gravitationswellen von einem kollabierenden Neutronenstern. Bild: Luciano Rezzolla  [Großansicht]

Neutronensterne gehören zu den kompaktesten Objekten im Universum. Ihr starkes Gravitationsfeld zieht unweigerlich immer mehr Masse an. Doch diesem Prozess sind Grenzen gesetzt. Ist eine kritische Masse erreicht, kollabiert der Neutronenstern zu einem Schwarzen Loch. Wie groß die Masse maximal werden darf, war eine seit Jahrzehnten offene Frage. Astrophysiker der Goethe-Universität in Frankfurt haben jetzt eine einfache Formel dafür gefunden.

Um den Kollaps hinauszuzögern, können Neutronensterne zu rotieren beginnen. So kann die Fliehkraft noch eine Weile die zunehmende Gravitationskraft kompensieren. Dabei muss sich der Stern umso schneller drehen, je mehr Masse er anhäuft, bis er schließlich auseinanderbricht. Somit ist die absolute Obergrenze für die Masse eines Neutronensterns durch die maximale Masse bei schnellst-möglicher Rotation gegeben.

Diese Masse jedoch aus einfachen physikalischen Grundprinzipien zu berechnen, ist nicht möglich, weil die Zustandsgleichung, die Auskunft über Temperatur- und Druckverhältnisse der Elemente im Stern gibt, unbekannt ist. Doch die Frankfurter Astrophysiker glauben für dieses Problem eine elegante Lösung gefunden zu haben: So lässt sich die maximale Masse eines schnell rotierenden Neutronensterns aus der maximalen Masse der entsprechenden nicht-rotierenden Konfiguration ableiten.

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"Es ist erstaunlich, dass ein komplexes System wie ein rotierender Neutronenstern durch eine so einfache Relation beschrieben werden kann", erklärt Luciano Rezzolla, Professor für Theoretische Astrophysik an der Goethe-Universität. "Wir wissen jetzt, dass der Neutronenstern durch schnellst-mögliche Rotation höchstens 20 Prozent seiner maximalen nicht-rotierenden Masse zulegen kann."

Die Wissenschaftler haben Zehntausende Modelle für Neutronensterne berechnet. Ausschlaggebend für ihre Entdeckung war, dass sie die Daten unter dem richtigen Blickwinkel betrachteten: Sie fanden eine Normierung, dank der sich die Neutronensterne unabhängig von ihrer Zustandsgleichung auf universelle Weise beschreiben lassen.

"Das Ergebnis lag direkt vor unserer Nase, aber wir mussten erst die richtige Perspektive wählen, um es zu sehen", sagt Cosima Breu, Masterstudentin am Institut für Theoretische Physik. Sie hat die Analyse im Rahmen ihrer Bachelor-Arbeit ausgeführt. Das universelle Verhalten für die maximale Masse ist Teil einer größeren Klasse universeller Beziehungen, die kürzlich für Neutronensterne entdeckt wurden.

In diesem Kontext haben Breu und Rezzolla auch eine vereinfachte Form gefunden, das Trägheitsmoment eines rotierenden Neutronensterns in Abhängigkeit von seiner Kompaktheit auszudrücken. Sobald es gelingt, Trägheitsmomente experimentell an binären Pulsaren zu messen, wird es mithilfe dieser neuen Methode möglich sein, deren Radius mit einer Genauigkeit von zehn Prozent oder weniger zu bestimmen.

Pulsare sind schnell rotierende Neutronensternen, die entlang einer Achse hochenergetische elektromagnetische Strahlung aussenden. Auf diese Weise können sie mit Weltraumteleskopen geortet werden. Das einfache, aber grundlegende Ergebnis eröffnet die Möglichkeit, künftig mehr universelle Beziehungen in rotierenden Sternen aufzuspüren.

"Wir hoffen, noch mehr ähnlich aufregende Ergebnisse zu finden, wenn wir das weitgehend unerforschte Gebiet der differentiell rotierenden Neutronensterne erkunden. Bei diesen Sternen rotiert die Masse im Zentrum schneller als die Oberfläche", so Rezzolla.

Über ihre Ergebnisse berichten die Forscher in einem Fachartikel, der in der Zeitschrift Monthly Notices of the Royal Astronomical Society erschienen ist.

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siehe auch
Simulationen: Die Geburt eines Neutronensterns - 28. Juni 2013
Elemententstehung: Neutronensterne als Elementschmiede - 8. September 2011
Supernovae: Sternexplosion im Computer - 10. Mai 2010
Links im WWW
Preprint des Fachartikels bei arXiv.org
Goethe-Universität Frankfurt
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