Wie groß ist ein Neutronenstern? Diese extremen, ultradichten kollabierten Sterne sind für Sternobjekte ziemlich klein. Seit Jahren befestigen Astronomen Neutronensterne mit einem Durchmesser zwischen 19 und 27 km. Dies ist angesichts der Abstände und Eigenschaften der Neutronensterne ziemlich genau. Aber Astronomen haben daran gearbeitet, dies auf ein ausgeglichenes Niveau zu beschränken Mehr genaue Messung.
Ein internationales Forscherteam hat jetzt genau das getan. Mitglieder des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik des Albert-Einstein-Instituts (AEI) haben anhand von Daten verschiedener Teleskope und Observatorien die Größenschätzungen für Neutronensterne um den Faktor zwei eingegrenzt.
"Wir stellen fest, dass der typische Neutronenstern, der etwa 1,4-mal so schwer ist wie unsere Sonne, einen Radius von etwa 11 Kilometern hat", sagte Badri Krishnan, der das Forschungsteam am AEI Hannover leitete. "Unsere Ergebnisse begrenzen den Radius auf einen Wert zwischen 10,4 und 11,9 Kilometern."
Dies entspricht einem Durchmesser zwischen 20,8 und 23,8 km.
Das Objekt der Studie dieses Teams ist ziemlich berühmt: die binäre Neutronensternfusion GW170817, die die Gravitationswellen erzeugte, die 2017 vom LIGO-Konsortium (Laser-Interferometer-Gravitationswellen-Observatorium) und dem Virgo-Konsortium entdeckt wurden. Dieses Objekt wurde mehrfach von mehreren Teleskopen untersucht, darunter dem Fermi-Satelliten, dem Hubble-Weltraumteleskop und anderen Teleskopen und Observatorien auf der ganzen Welt. All diese Beobachtungen gaben dem Max-Planck-Team eine Schiffsladung Daten, mit denen es arbeiten konnte.
"Binäre Neutronensternfusionen sind eine Goldmine an Informationen!" sagte Collin Capano, Forscher am AEI Hannover und Hauptautor eines in Nature Astronomy veröffentlichten Papiers. „Neutronensterne enthalten die dichteste Materie im beobachtbaren Universum. … Indem wir die Eigenschaften dieser Objekte messen, lernen wir die grundlegende Physik kennen, die die Materie auf subatomarer Ebene regiert. “
Neutronensterne entstehen, wenn einem massiven Stern der Treibstoff ausgeht und er zusammenbricht. Die sehr zentrale Region des Sterns - der Kern - kollabiert und zerquetscht jedes Proton und Elektron zu einem Neutron. Wenn der Kern des kollabierenden Sterns zwischen etwa 1 und 3 Sonnenmassen liegt, können diese neu erzeugten Neutronen den Kollaps stoppen und einen Neutronenstern zurücklassen.
Sterne mit noch höheren Massen werden weiterhin in schwarze Löcher mit Sternmasse zusammenbrechen.
Aber der Zusammenbruch in einen Neutronenstern erzeugt das dichteste bekannte Objekt - wieder ein Objekt mit der Masse einer Sonne, die auf die Größe einer Stadt zerquetscht wurde. Und Sie haben diesen anderen Vergleich wahrscheinlich schon einmal gehört, aber es ist eine Wiederholung wert, weil er so dramatisch ist: Ein Zuckerwürfel aus Neutronensternmaterial würde auf der Erde ungefähr 1 Billion Kilogramm (oder 1 Milliarde Tonnen) wiegen - ungefähr so viel wie Mount Everest.
Das Forscherteam verwendete ein Modell, das auf dem grundlegenden Verständnis der Wechselwirkung subatomarer Teilchen bei den hohen Dichten in Neutronensternen basiert.
Aber da die Größe anderer Sterne stark variieren kann, kann die Größe der Neutronensterne nicht auch variieren?
Zur Verdeutlichung gilt zunächst der in dieser Studie angegebene Radius für einen Neutronenstern, dessen Masse das 1,4-fache unserer Sonne beträgt.
"Dies ist eine Referenzmasse, die normalerweise in der Literatur verwendet wird, da fast alle Neutronensterne, die in einer Binärdatei beobachtet wurden, eine Masse nahe diesem Wert haben", sagte Capano dem Space Magazine in einer E-Mail. "Der Grund, warum wir GW170817 verwenden können, um den Radius von 1,4 Neutronensternen mit Sonnenmasse abzuschätzen, ist, dass wir erwarten, dass fast alle Neutronensterne aus demselben Material bestehen."
Bei anderen „regulären“ Sternen hängt die Beziehung zwischen ihrer Masse und ihrem Radius von einer Reihe von Variablen ab, beispielsweise von dem Element, das der Stern in seinem Kern verschmilzt, erklärte Capano.
"Neutronensterne hingegen sind so kompakt und dicht, dass sie keine wirklich getrennten Atome enthalten. Der gesamte Stern ist im Grunde ein riesiger einzelner Atomkern, der fast ausschließlich aus dicht zusammengepackten Neutronen besteht", sagte er. „Aus diesem Grund kann man sich Neutronensterne nicht als aus möglicherweise unterschiedlichen Elementen zusammengesetzt vorstellen. In der Tat hat "Element" bei diesen Dichten keine wirkliche Bedeutung, da das, was ein Element definiert, die Anzahl der Protonen ist, die es in seinen Atomen hat. "
Capano sagte, da alle Neutronen aus den gleichen Dingen bestehen (Quarks, die von Gluonen zusammengehalten werden), erwarten Astronomen eine universelle Abbildung zwischen Masse und Radius, die für alle Neutronensterne gilt.
"Wenn wir also die mögliche Größe eines 1,4-Sonnenmassenneutronensterns angeben, beschränken wir tatsächlich die möglichen physikalischen Gesetze, die die subatomare Welt beschreiben", sagte er.
Wie das Team in seiner Arbeit beschreibt, können ihre Ergebnisse und Prozesse auch auf die Untersuchung anderer astronomischer Objekte wie Pulsare, Magnetare und sogar der Art und Weise angewendet werden, wie Gravitationswellen emittiert werden, um Details darüber zu liefern, was diese Wellen erzeugt.
"Diese Ergebnisse sind aufregend, nicht nur, weil wir die Messungen der Neutronensternradien erheblich verbessern konnten, sondern auch, weil sie uns einen Einblick in das endgültige Schicksal der Neutronensterne beim Zusammenführen von Binärdateien geben", sagte Stephanie Brown, Mitautorin der Veröffentlichung und Doktorandin an der AEI Hannover.
Mehr:
Aufsatz: Strenge Einschränkungen der Neutronensternradien durch Multimessenger-Beobachtungen und Kerntheorie
Pressemitteilung des Max-Planck-Instituts
