Neutronensterne sind die Überreste massereicher Sterne, nachdem sie zur Supernova geworden sind; Während die äußeren Schichten des Sterns nach außen explodieren und ein Feuerwerk im wahrsten Sinne des Wortes kosmischen Ausmaßes erzeugen, kollabiert der Kern des Sterns und wird unglaublich komprimiert. Wenn der Kern genug Masse hat, wird er zu einem Schwarzen Loch, aber wenn er diese Grenze überschreitet, wird er zu einem ultradichten Ball, der hauptsächlich aus Neutronen besteht.
Die Statistiken für Neutronensterne sind ernüchternd. Sie haben eine Masse von bis zu mehr als dem Doppelten der Sonne, aber die Dichte eines Atomkerns: Über 100 Billionen Gramm pro Kubikzentimeter. Das ist schwer zu verstehen, aber stellen Sie es sich so vor: Wenn Sie jedes einzelne Auto in den Vereinigten Staaten in Neutronenstern-Zeug komprimieren würden, würden Sie einen Würfel von 1 Zentimeter auf einer Seite bekommen. Die Größe eines Zuckerwürfels oder eines sechsseitigen Würfels. Die gesamte Menschheit, die in einen solchen Zustand komprimiert wäre, wäre weniger als doppelt so breit.
Neutronensterne haben eine Oberflächengravitation, die hunderte Milliarden Mal so hoch ist wie die der Erde, und Magnetfelder sind noch stärker. Ein Neutronenstern, der die halbe Galaxie von uns entfernt ist, hatte ein seismisches Ereignis, das uns hier auf der Erde, 50.000 Lichtjahre entfernt, physisch beeinflusst hat.
Alles an Neutronensternen ist erschreckend. Aber trotz alledem sind wir uns immer noch nicht genau sicher, wie groß sie sind.
Ein rotierender Neutronenstern mit einem starken Magnetfeld peitscht subatomare Teilchen um ihn herum auf. Bildnachweis: NASA / Swift / Aurore Simonnet, Sonoma State University
Ich meine, wir haben eine ungefähre Vorstellung, aber die genaue Anzahl ist schwer zu bestimmen. Sie sind zu klein, um direkt zu sehen, also müssen wir ihre Größe aus anderen Beobachtungen ableiten, und diese sind mit Unsicherheiten behaftet. Ihre Größe hängt auch von ihrer Masse ab. Aber mit Beobachtungen von Röntgenstrahlen und anderen Emissionen von Neutronensternen haben Astronomen herausgefunden, dass sie einen Durchmesser von 20-30 Kilometern haben. Das ist winzig, für so eine riesige Masse! Aber es ist auch eine irritierend große Auswahl. Können wir es besser machen?
Ja! Eine Gruppe von Wissenschaftlern hat sich dem Problem auf andere Weise genähert, und konnten die Größe dieser wilden, aber kleinen Bestien eingrenzen: Sie fanden heraus, dass ein Neutronenstern mit einer Masse von 1, 4 Mal der Sonne (etwa durchschnittlich für solche Dinge) einen Durchmesser von 22, 0 Kilometern haben wird (mit einer Unsicherheit von +0, 9 / -0, 6 km). Sie finden, dass ihre Berechnung um den Faktor zwei genauer ist als alle anderen zuvor.
Das ist… klein. Wie, wirklich klein. Ich würde 22 km als kurze Radtour betrachten, obwohl es fairerweise schwierig wäre, es auf einem Neutronenstern zu machen.
Ein Neutronenstern ist unglaublich klein und dicht und packt die Masse der Sonne in eine Kugel mit einem Durchmesser von nur wenigen Kilometern. Dieses Kunstwerk zeigt einen im Vergleich zu Manhattan. Bildnachweis: NASA Goddard Space Flight Center
Wie haben sie diese Nummer bekommen? Die Physik, die sie verwendeten, ist tatsächlich teuflisch kompliziert, aber was sie tatsächlich taten, war die Zustandsgleichung eines Neutronensterns zu lösen — die physikalischen Gleichungen, die Eigenschaften eines Objekts wie Druck, Volumen und Temperatur in Beziehung setzen —, um die Bedingungen für ein Modell zu erhalten Neutronenstern mit einer Masse, die auf das 1,4-fache der Sonne festgelegt ist.
Diese Ergebnisse verwendeten sie dann und verglichen sie mit Beobachtungen eines Ereignisses aus dem Jahr 2017: Einer Fusion zweier Neutronensterne, die zu einer kolossalen Explosion namens Kilonova führte. Dieses Ereignis mit dem Namen GW170817 war ein großer Wendepunkt für die Astronomie, da die kollidierenden Neutronensterne starke Gravitationswellen aussendeten und buchstäblich das Gefüge des Universums erschütterten. Dies war unsere erste Warnung für das Ereignis, aber dann zielte ein großer Teil der Teleskope auf und über der Erde auf den Teil des Himmels, in dem sich die Fusion befand, und sah die Explosion selbst, die Kilonova. Es war das erste Mal, dass ein Ereignis elektromagnetische Energie (dh Licht) emittierte, die zuerst in Gravitationswellen gesehen wurde.
Kunstwerk, das den Moment der Kollision zwischen zwei Neutronensternen darstellt. Die resultierende Explosion ist … ziemlich groß. Bildnachweis: Dana Berry, SkyWorks Digital, Inc.
Es stellte auch eine Menge Einschränkungen für die Neutronensterne, die kollidierten. Zum Beispiel emittierten sie nach der Verschmelzung Licht auf eine bestimmte Weise, und es stellte sich heraus, dass dies nicht damit vereinbar war, dass der verschmolzene Überrest genügend Masse hatte, um direkt in ein Schwarzes Loch einzustürzen. Das passiert um das 2,4-fache der Sonnenmasse, also wissen wir, dass die beiden Sterne zusammen weniger Masse hatten. Umgekehrt war das Licht nicht damit vereinbar, dass der Überrest ein Neutronenstern war, der weit unter dieser Grenze lag. Es sieht so aus, als ob ein „hypermassiver“ Neutronenstern nahe dieser Grenze gebildet wurde, sehr kurze Zeit dauerte und dann zu einem Schwarzen Loch zusammenbrach.
All diese Daten dienten den Wissenschaftlern zur Berechnung der Neutronensterngröße. Durch den Vergleich ihrer Modelle mit den Daten von GW170817 konnten sie den Bereich der sinnvollen Größen stark reduzieren und sich auf den Durchmesser von 22 km konzentrieren.
Diese Größe hat interessante Implikationen. Zum Beispiel hoffen die Gravitationswellenwissenschaftler auf die Verschmelzung eines Schwarzen Lochs und eines Neutronensterns. Dies wird definitiv nachweisbar sein, aber die Frage ist, wird es Licht emittieren, das traditionellere Teleskope sehen können? Das passiert, wenn Material aus dem Neutronenstern während der Fusion ausgestoßen wird und viel Licht erzeugt.
Die Wissenschaftler in dieser neuen Arbeit führten die Zahlen durch und fanden heraus, dass für einen Neutronenstern von 1,4 Sonnenmassen und 22 km Durchmesser jedes Schwarze Loch, das größer als etwa das 3,4-fache der Sonnenmasse ist, kein Material ausstoßen würde! Das ist eine sehr geringe Masse für ein Schwarzes Loch, und es ist sehr unwahrscheinlich, dass wir eine so geringe Masse sehen würden, besonders eine mit einem Neutronenstern, den es essen kann. Sie sagen also voraus, dass dieses Ereignis nur in Gravitationswellen und nicht in Licht zu sehen sein wird. Auf der anderen Seite ist das nur für nicht rotierende Schwarze Löcher, und in Wirklichkeit werden die meisten einen schnellen Spin haben; Es ist unklar, was dort passieren würde, aber ich stelle mir vor, dass viele Leute ihre Modelle wieder laufen lassen werden, um zu sehen, was sie vorhersagen können.
Die Größe eines Neutronensterns zu haben bedeutet, besser verstehen zu können, was passiert, wenn sie sich drehen, wie ihre lächerlich starken Magnetfelder Material um sie herum beeinflussen, wie sie neues Material akkumulieren und was in der Nähe der Massengrenze zwischen einem Neutronenstern und einem Schwarzen Loch passiert. Noch besser, da die Mitarbeiter des LIGO / Virgo Gravitationswellen-Observatoriums ihre Ausrüstung optimieren, erwarten sie, dass ihre Empfindlichkeit zunimmt, was bessere Beobachtungen von Neutronensternfusionen ermöglicht, die dann verwendet werden können, um die Größenbeschränkungen noch weiter zu verschärfen.
Ich war schon mein ganzes Leben von Neutronensternen fasziniert, und um ehrlich zu sein, ist das die richtige Einstellung. Sie sind Reste von Supernovae; Sie kollidieren und machen Gold, Platin, Barium, und Strontium; Sie sind das Kraftpaket hinter Pulsaren; Sie können überwältigende Energiestöße erzeugen; und sind die dichtesten Objekte, die Sie noch im Universum betrachten können (das physische Objekt innerhalb des Ereignishorizonts eines Schwarzen Lochs ist für immer außerhalb unserer Reichweite). Ich meine, komm schon. Sie sind unglaublich.
Und das über Größen sie nach oben.