NEUTRONENSTERNE
Harter oder weicher Kern und Radius von zwölf Kilometern
Redaktion / idw / Pressemitteilung der Universität Frankfürt
astronews.com
22. November 2022

Mithilfe einer riesigen Anzahl von numerischen Modellrechnungen ist es gelungen, allgemeine Erkenntnisse über die extrem dichte innere Struktur von Neutronensternen zu erlangen: Abhängig von ihrer Masse haben diese Sterne entweder einen weichen oder harten Kern. Zudem dürften sie alle einen Radius von rund zwölf Kilometern aufweisen.

Die Untersuchung der Schallgeschwindigkeit hat ergeben, dass schwere Neutronensterne eine harte Hülle und einen weichen Kern haben, während leichte Neutronensterne eine weiche Hülle und einen harten Kern haben - so wie unterschiedliche Schokoladenpralinen. Bild: Peter Kiefer & Luciano Rezzolla[Großansicht]

Bislang ist wenig über das Innere von Neutronensternen bekannt, jene extrem kompakten Objekte, die nach dem "Tod" eines Sterns entstehen können: Die Masse unserer Sonne oder sogar mehr ist bei Neutronensternen zusammengepresst auf eine Kugel mit dem Durchmesser einer Großstadt. Trotz jahrzehntelanger theoretischer und experimenteller Bemühungen seit ihrer Entdeckung vor mehr als 60 Jahren ist der innere Aufbau dieser Objekte noch zum größten Teil unbekannt.

Die größte Herausforderung dabei ist es, die extremen Bedingungen im Inneren dieser Sterne zu simulieren, weil diese nicht unter Laborbedingungen auf der Erde nachgestellt werden können. Deshalb existieren zurzeit viele unterschiedliche mathematische Modelle, die versuchen, die Struktur von Neutronensternen – von der Oberfläche bis hin zum inneren Kern – mithilfe sogenannter Zustandsgleichungen zu beschreiben. Physikern der Goethe-Universität Frankfurt ist es nun gelungen, dem Puzzle um das Innere dieser Sterne ein wichtiges Teil hinzuzufügen. Im Arbeitskreis von Prof. Luciano Rezzolla am Institut für Theoretische Physik haben Forscher nun mehr als eine Million dieser Zustandsgleichungen konstruiert, von denen jede einzelne mit allen astrophysikalischen Messungen von Neutronensternen und bekannten Ergebnissen aus der Kernphysik übereinstimmen.

Bei der Analyse dieser riesigen Anzahl von Zustandsgleichungen machten die Wissenschaftler eine erstaunliche Entdeckung: "Leichte" Neutronensterne (mit einer Masse kleiner als die 1,7-fache Sonnenmasse) haben einen weiche äußere Hülle und einen harten Kern, wohingegen "schwere" Sterne (mit einer Masse größer als die 1,7-fache Sonnenmasse) eine harte Hülle, aber einen weichen Kern besitzen. "Das ist ein außerordentlich interessantes Ergebnis, weil es darüber Aufschluss gibt, wie komprimierbar der Kern eines Neutronensterns sein kann", sagt Rezzolla.

"Neutronensterne verhalten sich scheinbar ähnlich wie Schokopralinen: Leichte Sterne ähneln dabei Pralinen mit einer harten Nuss umhüllt von weicher Schokolade", vergleicht Rezzolla. "Schwere Sterne sind hingegen eher wie Pralinen mit einer harten Hülle aus Schokolade und einer cremig weichen Füllung."

Eine wichtige Rolle in ihrer Analyse spielte dabei die Schallgeschwindigkeit in dichter Materie, welche der Bachelorstudent Sinan Altiparmak in seiner Abschlussarbeit ausführlich erforscht hat. Diese Größe beschreibt, wie schnell sich Schallwellen in Materie ausbreiten. Ihr Wert hängt davon ab, wie hart oder weich das Medium ist. Schallgeschwindigkeitsmessungen werden beispielsweise dazu verwendet, den inneren Aufbau unseres Planeten zu bestimmen und Erdölvorkommen ausfindig zu machen.

Den Physikern ist es außerdem gelungen weitere, bis dato unbekannte Eigenschaften von Neutronensternen zu enthüllen. Sie konnten zum Beispiel zeigen, dass Neutronensterne mit hoher Wahrscheinlichkeit und unabhängig von ihrer Masse einen Radius von nur zwölf Kilometern besitzen. "Unsere allumfassende numerische Studie hat uns nicht nur ermöglicht, präzise Vorhersagen für die Radien und die maximale Masse von Neutronensternen zu machen, sondern auch neue Grenzwerte für deren Verformbarkeit durch Gezeitenkräfte in Binärsystemen zu berechnen", so Dr. Christian Ecker. "Diese Erkenntnisse werden eine besonders wichtige Rolle dabei spielen, die zurzeit unbekannte Zustandsgleichung mit zukünftigen Gravitationswellenmessungen von Neutronensternkollisionen genauer zu bestimmen."

Die Ergebnisse des Teams wurden in zwei Fachartikeln veröffentlicht, die in der Zeitschrift The Astrophysical Journal Letters erschienen sind.