Das goldene Zeitalter der Neutronensternphysik ist gekommen

Wenn ein massiver Stern in einer Supernova stirbt, ist die Explosion nur der Anfang vom Ende. Der größte Teil der Sternmaterie wird weit und breit geworfen, aber das mit Eisen gefüllte Herz des Sterns bleibt zurück. Dieser Kern packt so viel Masse wie zwei Sonnen und schrumpft schnell zu einer Kugel, die sich über Manhattan erstrecken würde. Durch das Zerkleinern des Innendrucks-genug, um den Mount Everest auf die Größe eines Zuckerwürfels zu drücken — werden subatomare Protonen und Elektronen zu Neutronen verschmilzt.

Astronomen wissen so viel darüber, wie Neutronensterne geboren werden., Doch was genau danach in diesen ultradichten Kernen passiert, bleibt ein Rätsel. Einige Forscher vermuten, dass Neutronen bis ins Zentrum dominieren könnten. Andere vermuten, dass der unglaubliche Druck das Material in exotischere Partikel oder Zustände verdichtet, die auf ungewöhnliche Weise zerquetschen und verformen.

Nach jahrzehntelangen Spekulationen kommen die Forscher nun der Lösung des Rätsels näher, zum Teil dank eines Instruments auf der Internationalen Raumstation namens Neutron Star Interior Composition Explorer (NICER).,

Im vergangenen Dezember lieferte dieses NASA-Weltraumobservatorium den Astronomen einige der präzisesten Messungen,die jemals an der Masse und Radius1, 2 eines Neutronensterns durchgeführt wurden,sowie unerwartete Ergebnisse über sein Magnetfeld1, 3. Das SCHÖNERE Team plant, in den nächsten Monaten Ergebnisse über mehr Sterne zu veröffentlichen. Andere Daten kommen von Gravitationswellen-Observatorien, die beobachten können, wie sich Neutronensterne beim Zusammenprall verformen. Mit diesen kombinierten Beobachtungen sind die Forscher bereit, auf Null zu setzen, was die Innereien eines Neutronensterns füllt.,

Für viele auf diesem Gebiet markieren diese Ergebnisse einen Wendepunkt in der Untersuchung einiger der verwirrendsten Objekte des Universums. „Dies beginnt ein goldenes Zeitalter der Neutronensternphysik“, sagt Jürgen Schaffner-Bielich, theoretischer Physiker an der Goethe-Universität in Frankfurt.

Das 62-Millionen-Dollar — NICER-Teleskop, das 2017 an Bord einer SpaceX Falcon 9-Rakete gestartet wurde, befindet sich außerhalb der Raumstation und sammelt Röntgenstrahlen von Pulsaren-sich drehenden Neutronensternen, die geladene Teilchen und Energie ausstrahlen in riesigen Säulen, die wie Strahlen von einem Leuchtturm umherfegen., Die Röntgenstrahlen stammen von Millionen-Grad-Hotspots auf der Oberfläche eines Pulsars, wo ein starkes Magnetfeld geladene Teilchen von der Außenseite reißt und sie wieder auf den gegenüberliegenden Magnetpol knallt.

NICER erkennt diese Röntgenstrahlen mit 56 goldbeschichteten Teleskopen und stempelt ihre Ankunft auf 100 Nanosekunden. Mit dieser Fähigkeit können Forscher Hotspots präzise verfolgen, wie ein Neutronenstern bis zu 1.000 Mal pro Sekunde umherspeitscht. Hotspots sind sichtbar, wenn sie über das Objekt schwingen., Aber Neutronensterne verziehen die Raumzeit so stark,dass sie auch Licht von der Erde fernhalten. Einsteins allgemeine Relativitätstheorie bietet eine Möglichkeit, das Masse-Radius-Verhältnis eines Sterns durch die Menge der Lichtbiegung zu berechnen. Diese und andere Beobachtungen ermöglichen es Astrophysikern, die Massen und Radien der verstorbenen Sterne zu bestimmen. Diese beiden Eigenschaften könnten bei der Bestimmung helfen, was in den Kernen passiert.

Tiefes, dunkles Geheimnis

Neutronensterne werden komplizierter, je tiefer man geht., Unter einer dünnen Atmosphäre, die hauptsächlich aus Wasserstoff und Helium besteht, wird angenommen, dass die Sternreste eine äußere Kruste aufweisen, die nur ein oder zwei Zentimeter dick ist und Atomkerne und frei wandernde Elektronen enthält. Forscher denken, dass die ionisierten Elemente in der nächsten Schicht zusammengepackt werden, wodurch ein Gitter in der inneren Kruste entsteht. Noch weiter unten ist der Druck so stark, dass sich fast alle Protonen mit Elektronen verbinden, um sich in Neutronen zu verwandeln, aber was darüber hinaus geschieht, ist bestenfalls trübe (siehe „Dichte Materie“).,

“ Es ist eine Sache, die Zutaten zu kennen“, sagt Jocelyn Read, Astrophysikerin an der California State University in Fullerton. „Es ist eine andere, das Rezept zu verstehen und wie diese Zutaten miteinander interagieren werden.“

Physiker haben eine Vorstellung davon, was dank Teilchenbeschleunigern auf der Erde passiert., In Einrichtungen wie dem Brookhaven National Laboratory in Upton, New York, und dem Large Hadron Collider des CERN in der Nähe von Genf, Schweiz, haben Forscher schwere Ionen wie Blei und Gold zusammengeschlagen, um kurze Sammlungen monumental dichten Materials zu schaffen. Aber diese kinetischen Experimente erzeugen Milliarden-oder sogar Billionen-Blitze, in denen sich Protonen und Neutronen in einer Suppe ihrer konstituierenden Quarks und Gluonen auflösen. Terrestrische Instrumente haben es schwer, die relativ milden Millionen-Grad-Bedingungen in Neutronensternen zu untersuchen.,

Es gibt mehrere Ideen, was passieren könnte. Es könnte sein, dass quarks und Gluonen frei herumlaufen. Oder die extremen Energien könnten zur Bildung von Teilchen führen, die Hyperonen genannt werden. Wie Neutronen enthalten diese Teilchen drei Quarks. Aber während Neutronen die grundlegendsten und energiereichsten Quarks enthalten, die als Auf-und Ab-Quarks bekannt sind, hat ein Hyperon mindestens eines davon durch ein exotisches „seltsames“ Quark ersetzt. Eine andere Möglichkeit ist, dass das Zentrum eines Neutronensterns ein Bose–Einstein-Kondensat ist, ein Zustand der Materie, in dem alle subatomaren Teilchen als eine einzige quantenmechanische Einheit wirken., Und Theoretiker haben sich auch noch mehr ausgefallene Perspektiven ausgedacht.

Entscheidend ist, dass jede Möglichkeit auf charakteristische Weise gegen die kolossale Schwerkraft eines Neutronensterns zurückdrängt. Sie würden unterschiedliche Innendrücke und damit einen größeren oder kleineren Radius für eine gegebene Masse erzeugen. Ein Neutronenstern mit einem Bose–Einstein-Kondensatzentrum zum Beispiel hat wahrscheinlich einen kleineren Radius als einer aus gewöhnlichem Material wie Neutronen. Einer mit einem Kern aus biegsamer Hyperon-Materie könnte noch einen kleineren Radius haben.,

„Die Art der Partikel und die Kräfte zwischen ihnen beeinflussen, wie weich oder matschig das Material ist“, sagt Anna Watts, ein SCHÖNERES Teammitglied an der Universität von Amsterdam.

Die Unterscheidung zwischen den Modellen erfordert genaue Messungen der Größe und Masse von Neutronensternen, aber die Forscher konnten ihre Techniken noch nicht auf ein genaues Niveau bringen, um zu sagen, welche Möglichkeit am wahrscheinlichsten ist. Sie schätzen normalerweise Massen, indem sie Neutronensterne in binären Paaren beobachten., Wenn die Objekte sich umkreisen, ziehen sie gravitativ aneinander, und Astronomen können dies verwenden, um ihre Massen zu bestimmen. Ungefähr 35 Sterne haben ihre Massen auf diese Weise gemessen, obwohl die Zahlen Fehlerbalken von bis zu einer Sonnenmasse enthalten können. Etwa ein Dutzend haben auch ihre Radien berechnet, aber in vielen Fällen können die Techniken diesen Wert nicht besser als ein paar Kilometer bestimmen — so viel wie ein Fünftel der Größe eines Neutronensterns.,

Die Hotspot-Methode von NICER wurde vom Röntgenobservatorium XMM-Newton der Europäischen Weltraumorganisation verwendet, das 1999 ins Leben gerufen wurde und noch in Betrieb ist. NICER ist viermal empfindlicher und hat eine hundertmal bessere Zeitauflösung als der XMM-Newton. In den nächsten zwei bis drei Jahren erwartet das Team, dass es NICER nutzen kann, um die Massen und Radien von weiteren einem halben Dutzend Zielen zu ermitteln und ihre Radien auf einen halben Kilometer zu fixieren., Mit dieser Präzision wird die Gruppe gut positioniert sein, um mit dem Plotten der sogenannten Neutronenstern-Zustandsgleichung zu beginnen, die Masse mit Radius oder äquivalent Innendruck mit Dichte in Beziehung setzt.

Wenn Wissenschaftler besonders viel Glück haben und die Natur besonders gute Daten liefert, könnte NICER dazu beitragen, bestimmte Versionen dieser Gleichung zu eliminieren. Aber die meisten Physiker denken, dass das Observatorium allein wahrscheinlich Modelle dessen, was in den Kernen der mysteriösen Objekte passiert, eingrenzen wird, anstatt es vollständig auszuschließen.,

„Dies wäre immer noch ein großer Fortschritt, wo wir jetzt sind“, sagt Watts.

Feldlinien

NICERS erstes Ziel war J0030+0451, ein isolierter Pulsar, der sich etwa 200 Mal pro Sekunde dreht und 337 Parsecs (1.100 Lichtjahre) von der Erde entfernt ist, im Sternbild Fische.

Zwei Gruppen — eine hauptsächlich an der Universität von Amsterdam1 und eine andere unter der Leitung von Forschern der University of Maryland im College Park2-durchsuchten getrennt 850 Stunden Beobachtungen und dienten einander als Kontrollen.,

Da die Hotspot-Lichtkurven so komplex sind, benötigten die Gruppen Supercomputer, um verschiedene Konfigurationen zu modellieren und herauszufinden, welche am besten zu den Daten passen. Beide kamen jedoch zu ähnlichen Ergebnissen und stellten fest, dass J0030 eine 1,3-oder 1,4-fache Masse wie die Sonne und einen Radius von etwa 13 Kilometern hat.,

Diese Ergebnisse sind nicht endgültig: Sie könnten verwendet werden, um entweder die weltlichen oder die jenseitigen Vorhersagen für das zu unterstützen, was sich in den Eingeweiden von Neutronensternen befindet. „Es gibt noch keine Anforderung für etwas funky oder verrückt oder exotisch“, sagt Andrew Steiner, ein nuklearer Astrophysiker an der University of Tennessee, Knoxville.

Eine größere Überraschung erlebten die Forscher mit Erkenntnissen über Form und Position der Hotspots., Die kanonische Ansicht von Neutronensternen hat ihre Magnetfeldlinien, die wie die eines Stabmagneten aussehen, mit Nord-und Südseite, die von kreisförmigen Flecken an gegenüberliegenden Enden des Sterns austreten. Im Gegensatz dazu implizierten die niederländischen Supercomputersimulationen, dass sich beide Hotspots von J0030 auf der südlichen Hemisphäre befinden und dass einer von ihnen lang und halbmondförmig ist1. Das Maryland-Team hatte auch die Möglichkeit einer Drei-Hotspot-Lösung: zwei südliche ovale und einen Endkreis in der Nähe des Rotations-Südpols3.,

„Es sieht so aus, als hätten sie den ersten echten Nachweis eines Pulsars erbracht, bei dem die Strahlen nicht um 180 Grad voneinander getrennt sind“, sagt Natalie Webb, Astrophysikerin am Institut für Astrophysik und Planetologie in Toulouse, Frankreich, die solche Möglichkeiten modelliert hat. „Das ist fantastisch, wenn es wahr ist.“

Die Ergebnisse würden frühere Beobachtungen und Theorien stützen, die darauf hindeuten, dass die Magnetfelder der Neutronensterne, die eine Billion Mal stärker sind als die der Sonne, komplexer sein können als allgemein angenommen., Nachdem sie sich zum ersten Mal gebildet haben, wird angenommen, dass Pulsare ihre Rotation über Millionen von Jahren verlangsamen. Aber wenn sie einen Begleitstern umkreisen, könnten sie Material und Drehimpuls von diesem Partner stehlen und ihr Drehen auf superschnelle Geschwindigkeiten steigern. Während sich die Materie an der Außenseite des Sterns ablagert, schlagen einige Theoretiker vor, dass sie eine flüssigkeitsähnliche Schicht von unterirdischen Neutronen beeinflussen und gigantische Wirbel erzeugen könnte, die das Magnetfeld des Neutronensterns in ungerade Anordnungen verdrehen., Der Begleiter könnte letztendlich verbraucht werden oder so viel Masse verlieren, dass er gravitativ ungebunden wird und wegfliegt, wie dies beim jetzt einsamen J0030 der Fall gewesen sein könnte.

Work in progress

NICER beobachtet weiterhin J0030, um die Präzision seiner Radiusmessungen weiter zu verbessern. Gleichzeitig beginnt das Team mit der Analyse von Daten eines zweiten Ziels, eines etwas schwereren Pulsars mit einem weißen Zwergbegleiter., Andere Astronomen haben Beobachtungen des Orbitaltanzes dieses Paares verwendet, um die Masse des Pulsars zu bestimmen, was bedeutet, dass SCHÖNERE Forscher eine unabhängige Messung haben, mit der sie ihre Ergebnisse validieren können.

Unter NICERS Zielen plant das Team, mindestens ein paar Pulsare mit hoher Masse aufzunehmen, einschließlich des aktuellen Rekordhalters für die meisten massiven Neutronensterne-ein gigantischer Gigant mit einer Masse, die 2,14 mal so groß ist wie die der Sonne. Das sollte es den Forschern ermöglichen, eine obere Grenze zu untersuchen: den Punkt, an dem ein Neutronenstern in ein Schwarzes Loch kollabiert. Selbst das 2,14-Meter-Objekt ist für Theoretiker eine Herausforderung zu erklären. Mehrere Forscher haben auch vorgeschlagen, dass NICER in der Lage sein könnte, zwei Neutronensterne mit der gleichen Masse, aber unterschiedlichen Radien zu finden., Dies würde auf das Vorhandensein eines Übergangspunkts hindeuten, an dem geringfügige Unterschiede zwei unterschiedliche Kerne erzeugen. Eine könnte zum Beispiel hauptsächlich Neutronen enthalten und die andere könnte aus exotischerem Material bestehen.

Obwohl NICER an der Spitze steht, ist es nicht das einzige Instrument in der Tiefe von Pulsaren. Im Jahr 2017 nahm das US-amerikanische Laserinterferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) zusammen mit dem Virgo-Detektor in Italien das Signal von zwei Neutronensternen auf, die abstürzten und miteinander verschmelzen4., Als sich die Objekte vor dem Absturz umeinander drehten, emittierten sie Gravitationswellen, die Informationen über die Größe und Struktur der Sterne enthielten. Der kolossale Gravitationseinfluss jedes Sterns zog seinen Partner an und deformierte ihn, indem er beide von Kugeln in Tropfenformen verzog. Die Menge der Verzerrung in diesen letzten Momenten gibt Physikern Hinweise auf die Formbarkeit des Materials in den Neutronensternen.

die LIGO-Anlage in Livingston, Louisiana, nahm ein zweites neutron-star-smash-bis letzten April, und vieles mehr entdeckt werden konnten, jederzeit., Bisher haben die beiden Fusionen nur auf die Eigenschaften von Neutronenstern-Innenräumen hingewiesen, was darauf hindeutet, dass sie nicht besonders verformbar sind. Aber die aktuelle Generation von Einrichtungen kann die entscheidenden letzten Momente nicht beobachten, in denen das Verziehen am größten wäre und die internen Bedingungen am deutlichsten anzeigen würde.

Der Kamioka Gravitationswellendetektor in Hida, Japan, wird voraussichtlich noch in diesem Jahr online gehen, und die indische Initiative für Gravitationswellenbeobachtungen in der Nähe von Aundha Naganath, Marathwada, im Jahr 2024., In Kombination mit LIGO und Virgo verbessern sie die Empfindlichkeit und erfassen möglicherweise sogar die Details der Momente, die zu einem Absturz führen.

Mit Blick in die Zukunft könnten mehrere geplante Instrumente Beobachtungen machen, die sich SCHÖNEREN und aktuellen Gravitationswellen-Observatorien entziehen. Ein chinesisch–europäischer Satellit namens Enhanced X-ray Timing and Polarimetry Mission (eXTP) wird voraussichtlich 2027 starten und sowohl isolierte als auch binäre Neutronensterne untersuchen, um ihre Zustandsgleichung zu bestimmen., Forscher haben auch eine weltraumgestützte Mission vorgeschlagen, die in den 2030er Jahren fliegen könnte, das spektroskopische zeitauflösende Observatorium für Röntgenstrahlen mit Breitbandenergie oder STROBE-X. Es würde die Hotspot-Technik von NICER verwenden und die Massen und Radien von mindestens 20 weiteren Neutronensternen mit noch mehr Präzision festhalten.

Die Herzen der Neutronensterne werden wahrscheinlich immer einige Geheimnisse behalten. Aber Physiker scheinen jetzt gut positioniert zu sein, um die Schichten zurückzuziehen., Lesen Sie, wer ist ein Mitglied des LIGO-Teams, sagt, dass Sie zusammen an einem Projekt vorstellen, welche wissenschaftlichen Fragen Gravitationswellen-Detektoren in der Lage sein würde, zu bewältigen in der 2030s und 2040s. In dem Prozess, Sie erkannte, dass die Landschaft für die Neutronen-Sterne-Forschung — insbesondere die Frage der Gleichung der Staat sollte ganz anders Aussehen können.

„Es war dieses jahrelange Rätsel, von dem du glaubst, dass es immer da sein wird“, sagt sie. „Jetzt sind wir an einem Punkt, an dem ich sehen kann, wie die wissenschaftliche Gemeinschaft das Neutronenstern-Struktur-Puzzle innerhalb dieses Jahrzehnts herausfindet.