Kosmische Schokoladenpralinen? Allgemeine Neutronensternstruktur enthüllt

Bisher ist wenig über das Innere von Neutronensternen bekannt, jenen extrem kompakten Objekten, die nach dem Tod eines Sterns entstehen können. Die Masse unserer Sonne oder noch mehr wird zu einer Kugel mit dem Durchmesser einer Großstadt komprimiert. Seit ihrer Entdeckung vor mehr als 60 Jahren versuchen Wissenschaftler, ihre Struktur zu entschlüsseln.

Die größte Herausforderung besteht darin, die extremen Bedingungen im Inneren von Neutronensternen zu simulieren, da sie auf der Erde im Labor kaum nachgebildet werden können. Daher gibt es viele Modelle, in denen verschiedene Eigenschaften – von Dichte und Temperatur – mit Hilfe sogenannter Zustandsgleichungen beschrieben werden. Diese Gleichungen versuchen, die Struktur von Neutronensternen von der Sternoberfläche bis zum inneren Kern zu beschreiben.

Nun ist es Physikern der Goethe-Universität Frankfurt gelungen, dem Puzzle weitere entscheidende Puzzleteile hinzuzufügen. Die Arbeitsgruppe unter der Leitung von Prof. Luciano Rezzolla am Institut für Theoretische Physik hat mehr als eine Million verschiedene Zustandsgleichungen entwickelt, die den Anforderungen genügen, die einerseits durch Daten aus der theoretischen Kernphysik und andererseits durch astronomische Beobachtungen gesetzt werden Sonstiges. Ihre Arbeit ist veröffentlicht in Die Briefe des astrophysikalischen Journals.

Bei der Auswertung der Zustandsgleichungen machte die Arbeitsgruppe eine überraschende Entdeckung: „Leichte“ 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) haben stattdessen einen steifen Mantel und einen weichen Kern.

„Dieses Ergebnis ist sehr interessant, weil es uns ein direktes Maß dafür gibt, wie kompressibel das Zentrum von Neutronensternen sein kann“, sagt Prof. Luciano Rezzolla, „Neutronensterne verhalten sich anscheinend ein bisschen wie Schokoladenpralinen: Lichtsterne ähneln jenen Pralinen, die eine haben Haselnuss in ihrer Mitte, umgeben von weicher Schokolade, während schwere Sterne eher als solche Schokoladen betrachtet werden können, bei denen eine harte Schicht eine weiche Füllung enthält.

Ausschlaggebend für diese Erkenntnis war die Schallgeschwindigkeit, ein Studienschwerpunkt des Bachelorstudenten Sinan Altiparmak. Dieses Größenmaß beschreibt, wie schnell sich Schallwellen innerhalb eines Objekts ausbreiten und hängt davon ab, wie steif oder weich Materie ist. Hier auf der Erde wird die Schallgeschwindigkeit genutzt, um das Innere des Planeten zu erkunden und Ölvorkommen zu entdecken.

Durch die Modellierung der Zustandsgleichungen konnten die Physiker auch andere bisher ungeklärte Eigenschaften von Neutronensternen aufdecken. Beispielsweise haben sie unabhängig von ihrer Masse sehr wahrscheinlich einen Radius von nur 12 km. Damit sind sie im Durchmesser genauso groß wie Frankfurt, die Heimatstadt der Goethe-Universität.

Studienautor Dr. Christian Ecker erklärt: „Unsere umfangreiche numerische Studie ermöglicht es uns nicht nur, Vorhersagen über 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 verzerren gegenseitig durch ihre Gravitationsfelder. Diese Erkenntnisse werden besonders wichtig, um die unbekannte Zustandsgleichung mit zukünftigen astronomischen Beobachtungen und Nachweisen von Gravitationswellen von verschmelzenden Sternen zu lokalisieren.“