Lehren von drei Neutronensternen

Die Raumsonde XMM-Newton der ESA und die Raumsonde Chandra der NASA haben drei junge Neutronensterne entdeckt, die für ihr Alter ungewöhnlich kalt sind. Durch den Vergleich ihrer Eigenschaften mit verschiedenen Neutronensternmodellen kamen Wissenschaftler zu dem Schluss, dass die niedrigen Temperaturen der Sonderlinge etwa 75 % der bekannten Modelle disqualifizieren. Dies ist ein großer Schritt zur Entdeckung der einen „Zustandsgleichung“ von Neutronensternen, die sie alle beherrscht, und hat wichtige Auswirkungen auf die Grundgesetze des Universums.

Das Papier ist veröffentlicht im Journal Naturastronomie.

Materie bis zum Äußersten gepresst

Nach den Schwarzen Löchern mit Sternmasse sind Neutronensterne die dichtesten Objekte im Universum. Jeder Neutronenstern ist der komprimierte Kern eines Riesensterns, der nach der Explosion in einer Supernova übrig bleibt. Wenn der Brennstoff ausgeht, implodiert der Kern des Sterns unter der Schwerkraft, während seine äußeren Schichten nach außen in den Weltraum geschleudert werden.

Die Materie im Zentrum eines Neutronensterns wird so stark zusammengedrückt, dass Wissenschaftler noch immer nicht wissen, welche Form sie annimmt. Neutronensterne haben ihren Namen von der Tatsache, dass unter diesem immensen Druck sogar Atome kollabieren: Elektronen verschmelzen mit Atomkernen und verwandeln Protonen in Neutronen. Aber es könnte noch seltsamer werden, denn die extreme Hitze und der Druck könnten exotischere Teilchen stabilisieren, die nirgendwo sonst überleben, oder Teilchen zu einer wirbelnden Suppe aus ihren Quarks verschmelzen.

Was im Inneren eines Neutronensterns passiert, wird durch die sogenannte „Zustandsgleichung“ beschrieben, ein theoretisches Modell, das beschreibt, welche physikalischen Prozesse im Inneren eines Neutronensterns auftreten können. Das Problem ist, dass Wissenschaftler noch nicht wissen, welches der Hunderten möglichen Zustandsgleichungsmodelle richtig ist. Während das Verhalten einzelner Neutronensterne von Eigenschaften wie ihrer Masse oder ihrer Rotationsgeschwindigkeit abhängen kann, müssen alle Neutronensterne derselben Zustandsgleichung gehorchen.

Zu kalt

Bei der Analyse von Daten der XMM-Newton-Missionen der ESA und der Chandra-Missionen der NASA entdeckten Wissenschaftler drei außergewöhnlich junge und kalte Neutronensterne, die 10-100 Mal kälter sind als ihre Artgenossen im gleichen Alter. Durch den Vergleich ihrer Eigenschaften mit den von verschiedenen Modellen vorhergesagten Abkühlungsraten kamen die Forscher zu dem Schluss, dass die Existenz dieser drei Sonderlinge die meisten vorgeschlagenen Zustandsgleichungen ausschließt.

„Das junge Alter und die niedrige Oberflächentemperatur dieser drei Neutronensterne können nur durch einen schnellen Abkühlungsmechanismus erklärt werden. Da eine verstärkte Abkühlung nur durch bestimmte Zustandsgleichungen aktiviert werden kann, können wir damit einen erheblichen Teil der möglichen Modelle ausschließen“, erklärt Astrophysiker Nanda Rea, dessen Forschungsgruppe am Institut für Weltraumwissenschaften (ICE-CSIC) und am Institut für Weltraumstudien von Katalonien (IEEC) die Untersuchung leitete.

Die Entdeckung der wahren Zustandsgleichung von Neutronensternen hat auch wichtige Auswirkungen auf die Grundgesetze des Universums. Physiker wissen bekanntlich noch nicht, wie sie die allgemeine Relativitätstheorie (die die Auswirkungen der Schwerkraft auf großen Skalen beschreibt) mit der Quantenmechanik (die beschreibt, was auf der Ebene der Teilchen geschieht) verbinden können. Neutronensterne sind hierfür das beste Testfeld, da sie Dichten und Gravitationen aufweisen, die weit über alles hinausgehen, was wir auf der Erde erzeugen können.

Kräfte bündeln: Vier Schritte zur Entdeckung

Die drei seltsamen Neutronensterne sind so kalt, dass sie für die meisten Röntgenobservatorien zu dunkel sind. „Die überragende Empfindlichkeit von XMM-Newton und Chandra hat es nicht nur möglich gemacht, diese Neutronensterne zu entdecken, sondern auch, genug Licht zu sammeln, um ihre Temperaturen und andere Eigenschaften zu bestimmen“, sagt Camille Diez, ESA-Forschungsstipendiat, der an den XMM-Newton-Daten arbeitet.

Die empfindlichen Messungen waren jedoch nur der erste Schritt, um Rückschlüsse darauf ziehen zu können, was diese Sonderlinge für die Zustandsgleichung von Neutronensternen bedeuten. Zu diesem Zweck kombinierte Nandas Forschungsteam am ICE-CSIC die komplementären Fachkenntnisse von Alessio Marino, Clara Dehman und Konstantinos Kovlakas.

Alessio war federführend bei der Bestimmung der physikalischen Eigenschaften der Neutronensterne. Das Team konnte die Temperaturen der Neutronensterne aus den von ihren Oberflächen ausgesandten Röntgenstrahlen ableiten, während die Größe und Geschwindigkeit der sie umgebenden Supernova-Überreste einen genauen Hinweis auf ihr Alter lieferten.

Als nächstes übernahm Clara die Führung bei der Berechnung von „Abkühlungskurven“ von Neutronensternen für Zustandsgleichungen, die unterschiedliche Abkühlungsmechanismen beinhalten. Dazu muss aufgezeichnet werden, was jedes Modell über die Veränderung der Leuchtkraft eines Neutronensterns vorhersagt – eine Eigenschaft, die direkt mit seiner Temperatur zusammenhängt – im Laufe der Zeit.

Die Form dieser Kurven hängt von mehreren verschiedenen Eigenschaften eines Neutronensterns ab, von denen nicht alle durch Beobachtungen genau bestimmt werden können. Aus diesem Grund berechnete das Team die Abkühlungskurven für eine Reihe möglicher Neutronensternmassen und Magnetfeldstärken.

Eine von Konstantinos geleitete statistische Analyse brachte schließlich alles zusammen. Mithilfe maschinellen Lernens wurde ermittelt, wie gut die simulierten Abkühlungskurven mit den Eigenschaften der Sonderlinge übereinstimmen. Es zeigte sich, dass Zustandsgleichungen ohne einen schnellen Abkühlungsmechanismus überhaupt keine Chance haben, mit den Daten übereinzustimmen.

„Die Neutronensternforschung berührt viele wissenschaftliche Disziplinen, von der Teilchenphysik bis zu Gravitationswellen. Der Erfolg dieser Arbeit zeigt, wie grundlegend Teamarbeit für die Weiterentwicklung unseres Verständnisses des Universums ist“, schließt Nanda.