10/03/2012 - Terzan 5, der Neutronenstern, der den Astrophysikern "gehorcht"

Menéame

Eine Forschung unter Leitung des Spaniers Manu Linares vom MIT hat den ersten Neutronenstern entdeckt, der nach dem theoretischen Modell der 70er Jahre explodiert. Der Fund offenbart unveröffentlichte Details über die Bedeutung der Rotation in Sternexplosionen.

Physiker bezweifeln Details, die nicht zu Ende passen. Sie können sie nicht ignorieren, wie klein sie auch sind. Sie fürchten sie vor einem grundlegenden Fehler in ihren Modellen und Theorien. Nach mehr als drei Jahrzehnten der Unsicherheit atmen die Neutronenstern-Experten dank der Studie, die im Astrophysical Journal vom spanischen Manu Linares vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) veröffentlicht wurde, ein wenig ruhiger.

Terzan 5 ist der erste Neutronenstern, der sich so verhält, wie es die Theorie vorhersagt: bei größerer Absonderung, häufigere Explosionen

Das Geheimnis der Neutronensterne war wie folgt: Seit den 70er Jahren haben die Astrophysiker sie aus den Explosionen in ihren äußeren Schichten studiert. Aber die Neutronensterne explodierten nicht so, wie sie dachten, sie sollten es tun. Bis Terzan 5, die Linares studiert hat, ihnen eine Freude bereitet hat.

Energiepumpen

Neutronensterne sind das dichteste beobachtbare Objekt, das es im Universum gibt. Es sind Massen wie unsere Sonne, aber komprimiert im Umkreis von 8 bis 15 Kilometern. In ihrem Innern ist die Schwerkraft Billionenmal größer als die Erdkraft. Der gewaltige Druck kompiliert die Atome, bis Protonen und Elektronen sich durch die Bildung von Neutronen schmelzen. Temperatur und Dichte sind so extrem, dass diese Neutronen sich brechen und ihre Quarks freilassen könnten.

Die Astrophysiker sind sehr daran interessiert, dass ihre Bedingungen nirgendwo sonst im beobachtbaren Universum existieren. "Es ist wie ein natürliches Labor, das uns erlaubt, die Gesetze der Physik in einem Bereich von Energien, Dichten und unerreichbaren Magnetfeldern auf der Erde zu erforschen," erklärt Manu Linares SINC.

Teufelskreis bis zur Explosion

Wenn sich ein Neutronenstern in der Nähe eines anderen konventionellen Sterns befindet, absorbiert er Plasma aus seinen äußeren Schichten, das auf der Oberfläche des Neutronensterns bis zu 100 kg Materie pro Sekunde und Quadratzentimeter verdichtet wird. Während sich diese Materie ansammelt, wird die Dichte intensiver, die Temperatur wächst, und es werden heftige thermonukleare Reaktionen ausgelöst.

Wasserstoffatome verschmelzen in Helium, und Heliumatome werden in schwerere Atome fusioniert. Es sind extreme Bedingungen, aber für eine Weile ist der Prozess stabil: Die Energie wird vom Stern in dem gleichen Tempo, wie er erzeugt wird, zerstreut.

"Alle bisher untersuchten Neutronensterne drehten sich mit einer Frequenz von 200 bis 600 Rotationen pro Sekunde. Terzan 5 dagegen macht es nur bei 11 Drehungen pro Sekunde."

Wenn jedoch eine kritische Masse an der Oberfläche des Neutronensterns erreicht wird, werden diese Reaktionen instabil: Es entsteht schneller Energie, als es entkommen kann.

Dann wird der Prozess dramatisch beschleunigt und in einen Teufelskreis eindringen: mehr Fusionsreaktionen, mehr Dichte, mehr Temperatur; mehr Fusionsreaktion, mehr Dichte und mehr Temperatur; bis innerhalb von Sekunden eine brutale Explosion eintritt, die unter anderem die Röntgenstrahlen erzeugt, die von den Astrophysikern bei der Erforschung der Neutronensterne verwendet werden.

Es ist jedoch anzunehmen, daß je schneller Materie auf der Oberfläche des Sterns gesammelt wird, desto eher wird die kritische Masse erreicht werden, und desto häufiger werden Explosionen auftreten. Doch bei 100 Neutronensternen, die von den 70er Jahren bis heute untersucht wurden, war dies bis zu Manu Linares Arbeit nie gelungen.

"Wir stellten fest, daß bei langsamer Materialausscheidung Explosionen stattgefunden haben, wie es das Modell vorhersagte. Aber wenn er schnell ansammelte, waren die Explosionen weniger häufig oder gar nicht vorhanden. Und wir verstanden nicht, warum," erklärt Linares.

Rotation ist der Schlüssel

In der Studie, die am 20. März 2012 in The Astrophysical Journal veröffentlicht wurde, schlagen die Forscher des MIT, der McGill University, der Minnesota University und der Amsterdamer Universität eine Erklärung für das Geheimnis des Explosionsmangels vor.

"Der Schlüssel ist in der Rotation," erklärt Linares. "Alle bisher untersuchten Neutronensterne drehten sich mit einer Frequenz von 200 bis 600 Rotationen pro Sekunde. Terzan 5 dagegen macht es nur bei 11 Drehungen pro Sekunde."

Terzan 5 ist der erste Neutronenstern, der sich so verhält, wie es die Theorie vorhersagt: bei größerer Absonderung ist es häufiger. Der größte Unterschied zu den bisher beobachteten ist die relativ langsame Rotationsgeschwindigkeit.

"Dies zwingt uns zu denken, dass wir in unseren Modellen zur Beschreibung von Neutronensternen die Rotation unterschätzt haben," nuanciert Linares. Dies wird eine Überprüfung der aktuellen Modelle erfordern.

Details sind wichtig.

Es gibt mehrere Hypothesen zu erklären, warum hohe Rotationsgeschwindigkeiten Explosionen in Neutronensternen verhindern. Die Reibung zwischen den Schichten könnte bei größerer Rotation zu einer lokal erhöhten Temperatur führen, die die thermonuklearen Reaktionen beeinflusst. Eine weitere Option ist das Auftreten von Turbulenzen, die den Inhalt von höheren und inneren Schichten vermischen.

Manu betont, dass "die Entstehung von thermonuklearen Explosionen von entscheidender Bedeutung ist, weil es genau das ist, was wir für die Untersuchung des Inneren von Neutronensternen verwenden."

Wir verstehen nicht genau, wie sich Materie zu Energien verhält, die so hoch sind wie die im Inneren eines Neutronensterns. Ein Detail, wie man seine genaue Größe kennt, kann uns zeigen, wie sehr Partikel verdichtet sind und wie unsere physikalischen Gesetze unter diesen Bedingungen eingehalten werden.

"Die Natur bietet uns ein einzigartiges Labor, aber um Schlußfolgerungen ziehen zu können, müssen wir verstehen, wie das Experiment funktioniert," schließt Linares.

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