Neutronensterne

Ein Teelöffel voll Blei wiegt gut 11 Gramm, Materie aus dem Zentrum der Sonne würde es auf rund 750 Gramm pro Teelöffel bringen. Den absoluten Rekord im Weltall halten bislang allerdings Neutronensterne: Ein Teelöffel voll Neutronensternmaterie würde rund eine Milliarde Tonnen auf die Waage bringen. Anders als herkömmliche Sterne bestehen Neutronensterne vor allem aus Neutronen. Diese Partikel sind für gewöhnlich nur in Atomkernen zu finden, da sie ungebunden instabil sind und nach kurzer Zeit zerfallen. Freie Neutronen lassen sich in der Natur daher eigentlich nicht beobachten. Die extremen Bedingungen in Neutronensternen machen es allerdings möglich.

Ende eines Sterns – Anfang eines Neutronensterns

Wenn ein massereicher Stern nach vielen Millionen oder sogar Milliarden Jahren seinen Brennstoffvorrat verbraucht hat und die Fusionsreaktionen zum Erliegen kommen, stürzt er unter seiner eigenen Schwerkraft zusammen. Während eine gewaltige Explosion die äußeren Hüllen ins Weltall hinausschleudert, kann im Inneren ein äußerst kompakter und dichter Überrest zurückbleiben – ein Neutronenstern. Der Durchmesser dieser kugelrunden Objekte beträgt nur rund zwanzig Kilometer, dennoch vereinen sie typischerweise ein bis zwei Sonnenmassen in sich.

Aufbau eines Neutronensterns

Theoretische Modelle legen nahe, dass Neutronensterne aus verschiedenen Schichten bestehen. An der Oberfläche könnte es eine nur wenige Zentimeter dicke Atmosphäre aus Wasserstoff- oder Heliumatomen geben und darunter eine sehr harte und extrem glatte Kruste aus schwereren Atomen. Mit zunehmender Tiefe steigt der Druck rapide an. Zunächst lösen sich die Elektronen von ihren Atomkernen, dann spalten sich die Kerne in ihre Bestandteile – Neutronen und Protonen – auf und in noch größerer Tiefe werden Protonen und Elektronen schließlich zu Neutronen zusammengepresst.

Das Innere eines typischen Neutronensterns ist daher hauptsächlich mit Neutronen gefüllt. Vor allem in massereicheren Exemplaren dürfte die Dichte im Zentrum allerdings so stark ansteigen, dass selbst Neutronen nicht mehr standhalten können. Viele Modelle gehen deshalb davon aus, dass die Materie im Zentralbereich eines Neutronensterns in einer exotischen Form vorliegt. Eine Möglichkeit wären beispielsweise sogenannte Hyperonen – instabile Teilchen, die in gewöhnlicher Materie nicht vorkommen. Bislang lässt sich über das Innerste von Neutronensternen aber nur mutmaßen. Denn in Experimenten, etwa an Teilchenbeschleunigern, können Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler solche extremen Bedingungen nicht vollständig nachstellen.

Theorie und Praxis

Die beiden Forscher Walter Baade und Fritz Zwicky stellten 1933 die Hypothese auf, dass es Neutronensterne geben müsse – und vermuteten bereits damals, dass sie in gewaltigen Sternexplosionen entstehen. 1967 stieß die Astronomin Jocelyn Bell Burnell dann erstmals auf einen „echten“ Neutronenstern. Alle 1,3 Sekunden hatte sie ein Radiosignal aus dem Weltall empfangen – und rätselte zunächst über die Ursache. Schließlich stellte sich heraus, dass die regelmäßigen Radiopulse von einem Neutronenstern – oder genauer einem Pulsar – ausgehen.

Pulsar

Dieser Typ eines Neutronensterns besitzt ein starkes Magnetfeld und dreht sich schnell um seine eigene Achse. Dabei werden elektrisch geladene Teilchen mitgerissen und senden elektromagnetische Strahlung aus, insbesondere an den magnetischen Polen. Auf diese Weise bilden sich zwei kegelförmige Strahlen aus, die wie bei einem Leuchtturm durchs Weltall streifen und dabei auch die Erde treffen können. Genau dieses Phänomen hatte Burnell beobachtet. Inzwischen kennen Astronominnen und Astronomen auch Pulsare, die vorwiegend Röntgenstrahlung aussenden. Doch nur ein Bruchteil aller Neutronensterne macht so auf sich aufmerksam. Entdeckt hat man inzwischen mehr als viertausend Exemplare, vermutet werden aber allein in unserer Galaxis viele Millionen.

Neutronensterne verstehen

Vor allem Computermodelle haben zu einem besseren Verständnis dieser kompakten Objekte beigetragen. In Simulationen lässt sich beispielsweise nachspielen, wie ein massereicher Stern kollabiert, als Supernova explodiert und zu einem Neutronenstern wird. Mit solchen virtuellen Kopien können Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler unter anderem untersuchen, wie massereich Neutronensterne typischerweise sind, welchen Durchmesser sie haben oder wie es in ihrem Inneren aussieht. Die Kombination von Theorie, Computersimulation und Beobachtung lieferte bereits viele Anhaltspunkte. Ein neues Fenster zu diesen exotischen Himmelskörpern öffnete sich in den vergangenen Jahren durch den Nachweis von Gravitationswellen.

Neutronensterne in Doppelsystemen können sich langsam einander annähern und schließlich miteinander verschmelzen. Bei der gewaltigen Explosion werden neben elektromagnetischer Strahlung auch Gravitationswellen freigesetzt. Im August 2017 ließ sich ein solches Ereignis in der 130 Millionen Lichtjahre entfernten Galaxie NGC 4993 sowohl mit Gravitationswellendetektoren als auch mit Teleskopen in fast allen Wellenlängenbereichen beobachten. Mit dieser sogenannten Multimessenger-Astronomie ließ sich ein detailliertes Bild des Geschehens zeichnen – von drei Minuten vor der Kollision bis zu mehreren Wochen danach. Astronominnen und Astronomen hoffen, dass mit diesem Ansatz künftig weitere spannende Einblicke in die Physik von Neutronensternen gelingen.