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Astrophysik: Keine exotische Materie in Neutronensternen

Theoretisch könnte im Kern der ultrakompakten Überreste von Sternexplosionen eine seltsame Materieform aus Elementarteilchen entstehen. Doch nun verpassen neue astronomische Messungen solchen Spekulationen einen Dämpfer.
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Kein anderes bekanntes Objekt im Universum ist mit einem Neutronenstern vergleichbar. In diesen aus Supernovae hervorgegangenen Himmelskörpern ist die Masse eines Sterns auf den Durchmesser einer Großstadt zusammengepresst. Um sie herum und in ihnen spielen sich deswegen extreme physikalische Vorgänge ab. Einige Fachleute mutmaßen sogar, die unvorstellbaren Drücke im Inneren könnten besonders seltsame Materieformen hervorbringen. Doch es ist unmöglich, in Neutronensterne hineinzublicken, um das direkt zu untersuchen. Also müssen sich Astronominnen und Astronomen auf die Eigenschaften verlassen, die sie prinzipiell messen können, nämlich die Masse und Größe der Objekte.

Bloß ist es alles andere als einfach, den exakten Durchmesser von etwas zu bestimmen, das Tausende von Lichtjahren entfernt und nur wenige zehn Kilometer groß ist. Ein erster Durchbruch ist 2019 mit dem NASA-Instrument Neutron star Interior Composition Explorer (NICER) gelungen, das zwei Jahre zuvor auf der Interna­tionalen Raumstation installiert worden war. Mit dem Röntgenteleskop hat ein Team um Coleman Miller von der University of Maryland den Durchmesser eines Neutronensterns namens J0030 bestimmt, der 1000 Lichtjahre von der Erde entfernt ist und 1,4 Sonnenmassen hat. Er ist etwa 26 Kilometer groß. Auf Basis weiterer NICER-Daten haben nun zwei Arbeitsgruppen, eine davon erneut um Coleman Miller, unabhängig voneinander eine entsprechende Analyse für einen anderen Neutronenstern durchgeführt – mit überraschendem Ergebnis.

Illustration eines Neutronensterns im Größenvergleich mit einem Satellitenbild von HannoverLaden...
Neutronenstern über Hannover | Ein Neutronenstern besitzt mehrere Sonnenmassen, ist dabei aber nur so groß wie eine Stadt, in dieser Illustration Hannover.

Das als J0740 bezeichnete Objekt befindet sich in einem Abstand von 3000 Lichtjahren von der Erde. Mit 2,1 Sonnenmassen gehört J0740 zu den schwersten bekannten Neutronensternen. Obwohl er 50 Prozent mehr Masse besitzt als J0030, scheinen beide etwa gleich groß zu sein: Die Analysen lieferten für J0740 einen Durchmesser von 24,8 beziehungs­weise 27,4 Kilometern. Die übliche unabhängige Begutachtung der Ergebnisse steht noch aus; beide Veröffent­lichungen erfolgten im Mai 2021 vorab beim Preprint-Server arxiv.org.

Neutronensterne entstehen, wenn ein Stern mit der zirka 8- bis 20-fachen Masse unserer Sonne am Ende seines Lebens den Brennstoff verbraucht. Ohne diesen kann er nicht mehr dem Druck der Schwerkraft standhalten und stürzt in sich zusammen. Supernova-Explosionen schleudern seine Hülle ins All. Nur ein ultradichter Rest bleibt zurück.

Ein Neutronenstern hat eine dünne Kruste aus Ionen und Elektronen. In den darunter liegenden Schichten werden Protonen und Elektronen regelrecht ineinandergepresst, woraufhin Neutronen entstehen, die bis zu 99 Prozent seiner Zusammensetzung ausmachen. In Richtung des Zentrums steigt die Dichte immer weiter, und dann passieren möglicherweise noch seltsamere Dinge. »Unter den einzelnen Neutronen und Protonen könnte ein Meer aus ihren Bestandteilen liegen, den Quarks«, erklärt Coleman Miller. »Wo sich ein solcher Übergang befände, ist allerdings nicht klar.«

Neutronensterne haben keinen Phasenübergang

Bisher sagten einige Modelle voraus, hinreichend massereiche Neutronen­sterne – vielleicht bereits J0740 mit seinen 2,1 Sonnenmassen – würden wegen ihrer immensen Dichten die Neutronen und Protonen in ihre Bestandteile zerlegen. Und eine solche Quark-Materie ließe sich vergleichsweise gut zusammendrücken. Darum sollte beim Übergang von relativ normaler, atomkernähnlicher Materie »der Radius schrumpfen«, meint Anna Watts von der Universität Amsterdam, Zweitautorin der anderen Veröffentlichung.

Die neuen Befunde sprechen nun gegen die Hypothese. So absonderlich die Objekte sind – ganz so bizarr verhalten sie sich dann offenbar doch nicht. »Es scheint so, als würden diese sehr exotischen Materiezustände im Kern eines Neutronensterns nicht vorkommen«, kommentiert der theoretische Physiker Jorge Piekarewicz von der Florida State University. Dann würde der Phasenübergang zur Quark-Materie – falls es ihn überhaupt gibt – erst kurz vor der kritischen Grenze stattfinden, ab der ein Neutronenstern unaufhaltsam zu einem Schwarzen Loch kollabiert. Der genaue Wert dafür ist nicht bekannt, vermutlich liegt er bei etwa drei Sonnenmassen. »Die Frage ist«, so Watts, »wenn bei hoher Dichte ein seltsamer Stoff existiert, wann genau bildet er sich?«

Falls J0740 diesen Phasenübergang durchlaufen hätte und mehr leichter komprimierbare Quark-Materie enthielte, sollte er Watts zufolge eher zwischen 9 und 16 Kilometer groß sein. Doch selbst wenn man die Messunsicherheiten berücksichtigt, läge laut Miller bei 22 Kilometer Durchmesser eine ziemlich klare untere Grenze.

Das bedeutet, wenn Neutronensterne überhaupt Quark-Materie hervorbringen, dann erst irgendwann jenseits von 2,1 Sonnenmassen. Ebenso gut könnten Protonen und Neutronen selbst auf den extremsten Skalen einfach erhalten bleiben. »Es sieht auf jeden Fall so aus, als wären einige der Modelle damit jetzt ausgeschlossen«, kommentiert Watts.

Illustration eines Strahlungausbruchs auf einem MagnetarLaden...
Ausbruch auf einem Magnetar | Die Illustration zeigt einen Strahlungausbruch auf einem Magnetar, einem Neutronenstern mit einem besonders starken Magnetfeld.

Dass Messungen der Größe von Neutronensternen grundsätzlich möglich sind, liegt an einer Eigenart der Himmelskörper. Sie drehen sich schnell, und mit ihnen rotieren Flecken auf ihrer Oberfläche, von denen starke Magnetfelder ausgehen und die Röntgenlicht ins All schicken. Auf Grund der enormen Gravitationswirkung der kompakten Objekte wird sogar Strahlung, die auf der anderen Seite des Neutronensterns entsteht, durch die Schwerkraft gebeugt und in unsere Richtung gelenkt. Mit NICER lassen sich die Ankunftszeiten der Röntgenblitze hochpräzise registrieren. Das erlaubt Rückschlüsse auf den Durchmesser.

In die Diskussionen um die Größe der Neutronensterne mischt sich ein weiteres aktuelles Messergebnis, dieses Mal ein irdisches. Das Team des Lead Radius Experiment (PREx) am Jefferson Lab in Virginia hat einen Elektronenstrahl auf Blei geschossen. Dabei untersuchte es die so genannte Neutronenhaut, die als dünne neutrale Schicht über den positiv geladenen, an Protonen reichen Kern schwerer Atome hinausragt.

Anscheinend nimmt die Neutronenhaut etwas mehr Raum ein als gedacht, Neutronen drängen sich also nicht so eng zusammen wie erwartet. Der Unterschied zu bisherigen theo­retischen Annahmen ist winzig, aber hochgerechnet auf die Dimensionen eines Neutronensterns sollten die kosmischen Objekte bis zu zwei Kilometer größer sein als bisher vorhergesagt. Jorge Piekarewicz, der zum PREx-Team gehört, hält die Ergebnisse für »völlig konsistent mit NICER«.

Ebendie mit NICER gewonnenen Resultate befinden sich indes noch in einem frühen Stadium der Auswertung. Anstehende Messungen des Radius eines dritten Neutronensterns könnten eine wichtige Rolle bei der Bestätigung oder Widerlegung spielen. Bewahrheitet sich die neue Interpretation, wären selbst Neutronensterne – nach Schwarzen Löchern die dichtesten Ansammlungen im Universum – nicht außergewöhnlich genug, um einige hypothetische Formen von exotischer Materie zu produzieren. 

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