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Astrophysik: Sternleichen und die Entdeckung der Seltsamkeit

Massereiche Sterne kollabieren am Ende zu extrem dichten Objekten wie Neutronensternen oder Schwarzen Löchern. Nach neuesten Beobachtungen könnte es eine weitere Sorte superkompakter Sternleichen geben, die aus Quarkmaterie bestehen.


So solide die Festkörper erscheinen mögen, die uns im Alltag umgeben: In Wirklichkeit bestehen die Atome, aus denen sie aufgebaut sind, zum überwiegenden Teil aus leerem Raum; der Löwenanteil ihrer Masse ist im Zentrum konzentriert, dem winzigen Atomkern aus Protonen und Neutronen.

Dennoch sind Atome dank einer Kombination von Quanteneffekten und elektromagnetischer Wechselwirkung äußerst stabil. Mit den vergleichsweise geringen Kräften, die uns auf der Erde zu Gebote stehen, wäre es ein hoffnungsloses Unterfangen, sie zusammenpressen zu wollen. Erst der gewaltigen Eigengravitation, die auf Gebilde mit der Größe und Masse eines Mehrfachen der Sonne wirkt, gelingt es, Materie noch weiter zu komprimieren.

In den Anfangsphasen ihres Lebens sind Sterne allerdings Gebilde mit recht geringer Dichte. Sie bestehen aus leichten, gasförmigen Elementen wie Wasserstoff und Helium, aus deren Verschmelzung sie Energie beziehen. Diese Gase liegen vorwiegend als heißes Plasma vor, als strukturloses Gemisch aus Atomkernen und freien Elektronen. Für Stabilität sorgt ein Gleichgewicht widerstreitender Kräfte: Die Gravitation ist bestrebt, den Stern in sich zusammenfallen zu lassen; der innere Druck des Plasmas wirkt dem jedoch entgegen.

Was passiert, wenn der Kernbrennstoff aufgebraucht ist? Aus Sternen wie unserer Sonne, die nur eine relativ geringe Masse haben, werden dann so genannte Weiße Zwerge: äußerst dichte Gasbälle etwa von der Größe unserer Erde, aber weitaus höherer Masse, bei denen dieselben Quanteneffekte, die auch für die Stabilität von Atomen verantwortlich sind, der Schwerkraft die Waage halten.

Dramatischer ist das Schicksal von massereicheren Sternen: In einer Supernova-Explosion, bei der sie kurze Zeit so hell leuchten können wie eine ganze Galaxie, stoßen sie ihre äußere Hülle ab, während die Zentralregion in sich zusammenstürzt. In diesem Fall schaffen es die erwähnten Quanteneffekte nicht, den Schwerkraft-Kollaps aufzuhalten. Wo er endet, hängt von der genauen Masse des Sterns ab. Ist sie nicht ganz so groß, erreicht das System einen stabilen Zustand, nachdem die Elektronen förmlich in die Atomkerne gedrückt worden sind und sich dort mit den Protonen zu Neutronen vereinigt haben.

Der resultierende Neutronenstern hat nur zwanzig bis vierzig Kilometer Durchmesser, kann in diesem Volumen aber bis zu zwei Sonnenmassen vereinigen. Seine Materie hat eine extrem hohe Dichte: Ein Stecknadelkopf würde auf der Erde knapp eine Million Tonnen wiegen – so viel wie ein Eisenwürfel mit einer Seitenlänge von fünfzig Metern.

Wenn der Sternrest nach dem Abstoßen der Hülle mehr als das Zwei- bis Dreifache der Sonnenmasse hat, macht der Kollaps auch nicht auf der Stufe des Neutronensterns Halt. Er setzt sich vielmehr so weit fort, bis eine Raumregion entsteht, aus der weder Licht noch Materie nach außen entkommen kann – ein so genanntes Schwarzes Loch.

Weißer Zwerg, Neutronenstern und Schwarzes Loch – das schienen bisher die einzig möglichen Endzustände von Sternen zu sein. Doch nun haben Beobachtungen mit dem Röntgensatelliten Chandra und dem Hubble-Weltraum-Teleskop Hinweise auf einen weiteren Typ von Sternleiche ergeben. Hauptkandidat ist ein Himmelskörper mit dem nicht eben klangvollen Katalognamen RX J1856.5-3754 (Bild oben). Astronomen des Smithsonian Astrophysical Observatory, des MIT Center for Space Research und der Universität Tübingen haben ihn näher unter die Lupe genommen und dabei Seltsames entdeckt.

Das Röntgenspektrum von RX J1856.5-3754 entspricht dem eines so genannten Schwarzen Körpers: eines Objekts im thermodynamischen Gleichgewicht, dessen Strahlungseigenschaften nur von seiner Temperatur abhängen. Nimmt man an, RX J1856.5-3754 sei annähernd kugelförmig, dann läßt sich seine Ausdehnung aus einem Gesetz erschließen, das die Temperatur und die Oberfläche eines Schwarzen Körpers mit der Energiemenge verknüpft, die er pro Zeiteinheit abstrahlt.

Die Temperatur des Sterns ergibt sich aus seinem Röntgenspektrum. Aus Beobachtungen mit dem Hubble-Weltraum-Teleskop geht andererseits hervor, wie weit RX J1856.5-3754 von uns entfernt ist. Daraus und aus der Messung, wie viel seiner Strahlungsenergie auf der Erde ankommt, läßt sich ermitteln, wie viel Energie der Stern insgesamt abstrahlt. Temperatur und Energiemenge schließlich erlauben, auf die Oberfläche der Kugel und daraus auf ihren Radius zurückzuschließen. Das Ergebnis: ein Wert von vier bis acht Kilometern.

Damit wäre RX J1856.5-3754 kleiner, als es die gängigen Modelle für Neutronensterne zulassen. Natürlich ist das Objekt auch kein Schwarzes Loch, das ja selbst keinerlei Strahlung aussendet und das wir nur sehen könnten, wenn es Teil eines Doppelsternsystems wäre. Dann zöge es Materie des Begleiters ab, und diese würde sich stark aufheizen und erhebliche Strahlungsmengen abgeben. Die Beobachtungen im sichtbaren Licht zeigen aber, dass RX J1856.5-3754 keinen solchen Partner hat.

Das Astronomenteam zieht daher die Möglichkeit in Betracht, dass hier ein exotischer Sterntyp vorliegt, den Astrophysiker bislang nur als theoretische Möglichkeit postuliert hatten: ein Gebilde, das aus so genannter seltsamer Materie besteht.

Die Hintergründe dieser Vermutung führen in die Gefilde der Teilchenphysik. Deren gängiger Lehrmeinung zufolge setzen sich die Neutronen und Protonen im Atomkern wiederum aus noch kleineren Partikeln zusammen, die als Quarks bezeichnet werden. Es gibt sie in sechs verschiedenen Typen, von denen aber nur zwei in normaler Materie vorkommen. So besteht das Proton aus zwei Quarks vom Typ "Up" ("Auf") und einem Quark vom Typ "Down" ("Ab"), das Neutron aus zwei Down- und einem Up-Quark.

Die Eigenschaften der starken Kernkraft, die Quarks aneinander bindet, sorgen dafür, dass diese Teilchen in der Natur niemals isoliert auftreten, sondern ausschließlich in Zweier- oder Dreiergruppen wie den erwähnten Protonen und Neutronen. Schon länger vermuten Teilchenphysiker aber, dass sich Quarks bei extrem hohen Temperaturen aus der Paar- oder Dreierbindung befreien und zu einem dichten Gemisch nicht fest gebundener Einzelteilchen zusammenschließen können. Vermutlich war der Kosmos in seiner Frühzeit mit einem solchen "Quark-Gluon-Plasma" angefüllt. Im Labor konnte es zwar noch nicht definitiv nachgewiesen werden, aber Experimente in Teilchenbeschleunigern lieferten deutliche Hinweise auf seine Existenz (siehe "Der Urknall im Labor", Spektrum der Wissenschaft 5/1999, S. 56).

Materie aus isolierten Quarks

Einer noch weitergehenden Hypothese zufolge stellt ein solches Quarkgemisch vielleicht sogar den energieärmsten Zustand dar, in dem sich Kernmaterie überhaupt befinden kann. Dazu müsste in der Mixtur allerdings außer den Up- und Down-Quarks noch eine weitere Quark-sorte vertreten sein, die das willkürliche Attribut "strange", also "seltsam" erhalten hat. Wegen ihrer Anwesenheit wird das ganze Gemisch seltsame Materie genannt.

Ob es sich dabei tatsächlich um den Kernmaterie-Zustand geringstmöglicher Energie handelt, lässt sich der Standardtheorie der starken Kernkräfte, der Quantenchromodynamik, bislang nicht eindeutig entnehmen. Umso wichtiger sind die astronomischen Beobachtungen: Ist ein Übergang zu seltsamer Materie energetisch günstig, so könnte er sich im dichten Zentrum eines Neutronensterns vollziehen und diesen im Endeffekt vielleicht sogar ganz transformieren. Der resultierende "seltsame Stern" wäre auch bei geringerem Volumen noch stabil. Das würde erklären, warum RX J1856.5-3754 so ungewöhnlich klein ist.

Noch ein Kandidat für seltsame Materie im All ließ sich mit dem Chandra-Observatorium ausmachen. Im Sternbild Kassiopeia befindet sich ein Sternrest mit der Katalognummer 3C58 (Bild links unten). Er ist mit großer Wahrscheinlichkeit bei einer Supernova-Explosion entstanden, die japanische und chinesische Astronomen im Jahre 1181 beobachtet haben. Messungen seiner Röntgenstrahlung, die Astronomen vom Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics und von der Columbia-Universität in New York vorgenommen haben, zeigen aller-dings, dass 3C58 weit kühler ist, als für Neutronensterne solch – astronomisch gesehen – geringen Alters zu erwarten wäre. Einen Ausweg böte die Annahme, dass im Inneren des Neutronensterns seltsame Quarkmaterie anzutreffen ist.

So aufregend die genannten Beobachtungen sein mögen – dingfest gemacht ist der neue Materietyp damit noch nicht. Beispielsweise gibt es für das rapide Abkühlen von 3C58 auch andere Erklärungen, die ohne seltsame Materie auskommen. Und die geringe Ausdehnung von RX J1856.5-3754 könnte nur vorgetäuscht sein, weil die Röntgenastronomen in Wirklichkeit einen kleinen heißen Fleck auf der Oberfläche eines herkömmlichen Neutronensterns beobachten. Gegen diese Möglichkeit spricht allerdings, dass es dann höchstwahrscheinlich Intensitätsschwankungen der Röntgenstrahlung gäbe, die nicht beobachtet werden.

Die geschilderten Befunde sind jedenfalls interessant genug, um zu weiteren Beobachtungen anzuspornen. Mit etwas Glück werden die dann erweisen, ob unser Kosmos – oder zumindest die darin enthaltene Materie – wirklich noch weit seltsamer ist, als bislang geahnt.

Aus: Spektrum der Wissenschaft 8 / 2002, Seite 22
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH
8 / 2002

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum der Wissenschaft 8 / 2002

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