Neutronensterne

A Neutronenstern ist der kollabierte Kern, der zurückbleibt, wenn ein massereicher Stern in einer Supernova stirbt. Es packt ungefähr das Eineinhalbfache der Masse der Sonne in eine Kugel mit einem Durchmesser von nur etwa 20 Kilometern – so dicht, dass ein Stück in der Größe eines Zuckerwürfels so viel wie ein Berg wiegen würde. Neutronensterne befinden sich an der Grenze zwischen der gewöhnlichen Sternphysik und dem extremen Bereich, in dem Schwerkraft, Kernkräfte und Quantenmechanik gleichzeitig eine Rolle spielen.

Wie ein Neutronenstern entsteht

Wenn ein Stern, der viel schwerer als die Sonne ist, seinen Kernbrennstoff erschöpft, kann sich sein Kern nicht mehr selbst tragen und kollabiert im Bruchteil einer Sekunde. Die einfallende Materie drückt Protonen und Elektronen zu Neutronen zusammen, und der Zusammenbruch stoppt erst, wenn die Neutronen selbst einer weiteren Kompression widerstehen. Die äußeren Schichten prallen bei einer Supernova-Explosion zurück und lassen den kompakten Neutronenkern zurück. Wenn der ursprüngliche Stern schwer genug ist, versagt sogar der Neutronendruck und der Kern kollabiert weiter zu einem Schwarzes Loch stattdessen.

Was es aufhält: Entartungsdruck

Ein Neutronenstern verbrennt keinen Treibstoff. Was verhindert also, dass er zusammenbricht? Die Antwort ist ein reiner Quanteneffekt. Das Pauli-Ausschlussprinzip verbietet zwei Neutronen, denselben Quantenzustand einzunehmen, was sie dazu zwingt, sich selbst bei niedrigsten Energien zu bewegen. Dadurch entsteht ein kraftvolles äußeres Neutronen-Entartungsdruck das den Stern gegen seine eigene immense Schwerkraft stützt – das gleiche Prinzip, das einen Weißen Zwerg hält, jedoch mit einer weitaus extremeren Dichte.

Kosmische Labore

Wie sich Materie genau bei den Dichten im Inneren eines Neutronensterns verhält – beschrieben durch ihr Zustandsgleichung – ist noch nicht vollständig bekannt, da kein Labor auf der Erde solche Bedingungen erreichen kann. Der Kern kann exotische Materiezustände wie freie Quarks oder Hyperonen enthalten. Astronomen untersuchen dies, indem sie die Massen und Radien von Neutronensternen messen und ihre Verschmelzung beobachten: die Entdeckung von im Jahr 2017 Gravitationswellen aus einer Neutronenstern-Kollision, die zusammen mit Licht beobachtet wurde, eröffnete eine leistungsstarke neue Möglichkeit, dichte Materie und sogar den Ursprung schwerer Elemente wie Gold zu untersuchen.

Pulsare und Magnetare

Viele Neutronensterne drehen sich schnell und strahlen Strahlung von ihren Magnetpolen ab; Während der Strahl an der Erde vorbeistreicht, sehen wir regelmäßige Impulse, und das Objekt wird genannt Pulsar. Die extremsten mit den stärksten Magnetfeldern sind Magnetare. Diese rotierenden, magnetisierten Überreste gehören zu den präzisesten natürlichen Uhren im Universum.

Ein häufiges Missverständnis

Ein Neutronenstern besteht nicht aus „Neutronium“, das wie gewöhnliche Materie gepackt ist; Es ist ein einzelnes, durch die Schwerkraft gebundenes Objekt, das eher einem kolossalen Atomkern als einem normalen Stern ähnelt, mit einer festen Kruste über einem flüssigen Inneren. Und obwohl Neutronensterne oft als „tote“ Sterne bezeichnet werden, bleiben sie über Milliarden von Jahren physikalisch aktiv, kühlen ab, drehen sich und flammen gelegentlich auf.

Schlüsselzahlen: am Rande des Zusammenbruchs

Ein Neutronenstern ist eine Studie der Extreme. Ein typischer Stern packt etwa das 1,4-fache der Sonnenmasse in einen Radius von etwa 11–13 km, was eine Dichte ergibt, die mit der eines Atomkerns vergleichbar ist – hunderte Billionen Mal dichter als Wasser. Es gibt auch ein Maximum: über dem Tolman-Oppenheimer-Volkoff-Grenze, kann der Neutronenentartungsdruck der Schwerkraft nicht mehr widerstehen und der Stern kollabiert in schwarzes Loch. Beobachtungen der schwersten bekannten Pulsare legen diese Grenze bei

M_{fest max} ≈ 2,2–2,3 Sonnenmassen

Die Festlegung dieser Obergrenze ist ein wichtiges Ziel, da sie direkt von der unbekannten Zustandsgleichung ultradichter Materie abhängt. Die Neutronensternverschmelzung im Jahr 2017, die sowohl in Gravitationswellen als auch im Licht beobachtet wurde, verschärfte diese Grenzen und bestätigte, dass bei solchen Verschmelzungen schwere Elemente wie Gold und Platin entstehen.