Wenn ein Stern stirbt, gibt es ein paar stellare Objekte, die zurückgelassen werden können, vom relativ banalen Weißen Zwerg bis zum rätselhaften Schwarzen Loch. Aber zwischen diesen beiden Extremen liegt das Neutronenstern, ein Objekt von so immenser Dichte, dass nur wenige andere Objekte im Universum auch nur annähernd an diese herankommen.
Im Gegensatz zu seinem dichteren Cousin, dem Schwarzen Loch, sind Neutronensterne auf eine Weise sichtbar und hochaktiv, wie es nur wenige andere Objekte im Universum sind, was sie zu faszinierenden Studienobjekten für Astronomen macht.
Was sind Neutronensterne? Wie entstehen sie? Wie unterscheiden sie sich von Schwarzen Löchern? Und könnte die Sonne zu einem Neutronenstern werden? Lesen Sie weiter, um dies und mehr über diese unglaublichen Himmelsobjekte zu erfahren.
Was ist ein Neutronenstern?
Wenn ein Stern verbraucht seinen Treibstoff, aufgrund seiner Masse kann eines von mehreren Dingen passieren.
Wenn der Stern klein genug ist, wird er wahrscheinlich einen Weißen Zwerg bilden. Wenn er massiv genug ist, wird er sein Leben als Schwarzes Loch beenden. Neutronensterne besetzen den Raum zwischen diesen beiden Ergebnissen, obwohl sie es keineswegs sinddas typische Schicksal eines Hauptreihenstars.
Ein Neutronenstern ist praktisch eine Sternenleiche; die übriggebliebenen Überreste eines Sterns, der seinen Treibstoff aufgebraucht hat und auf spektakuläre Weise in sich zusammengebrochen ist. Er verbrennt nicht mehr Wasserstoff, Helium oder irgendein anderes Element als Treibstoff, und das gilt auch füralle Absichten und Zwecke tote Materie.
Das bedeutet jedoch nicht, dass es kalt und inaktiv ist.
Ein Neutronenstern ist oft der Rest des Kerns eines Sterns, der groß genug ist, dass er beim Zusammenbruch seiner Masse nach Beendigung der Kernfusion so dicht ist, dass die überwiegende Mehrheit der Elektronen und Protonen der Atomkerne in seinem Kern miteinander verschmelzenNeutronen bilden.
Das erzeugt alle möglichen unglaublichen Phänomene, die wir gerade erst zu verstehen beginnen.
Sind Neutronensterne selten?
Relativ gesehen, ja. Damit sich ein Neutronenstern bildet, muss eine ganz bestimmte Bedingung gelten, und es kommt wirklich auf die Masse des Sterns an.
Wenn massereiche Sterne ihren gesamten Treibstoff aufbrauchen, erreichen sie einen Punkt, an dem sie beginnen, Eisen zu verschmelzen, aber diese Fusion setzt als Ergebnis keine Energie mehr frei. Ohne die nach außen gerichtete Kraft der Fusionsenergie in ihren Kernen, um der Wirkung entgegenzuwirkenSchwerkraft und halten ihre unglaubliche Masse aufrecht, unterliegen diese Sterne einem Gravitationskollaps.
Wenn ein Stern ist größer als etwa acht Sonnenmassenaber weniger als 20 bis 30 Sonnenmassen, sein Kern wird unglaublich kondensiert sein, aber nicht so sehr, dass die Kraft des nach außen drängenden kondensierten Materials den Stern nicht davon abhalten kann, vollständig unter seinem eigenen Gewicht in unendliche Dichte zu kollabieren.
Es gibt nicht viele Sterne in der Galaxie, die diese strenge Gewichtsbedingung erfüllen, aber Astronomen glauben, dass es in der Milchstraße etwa eine Milliarde Neutronensterne gibt, was ungefähr der Anzahl der Sternmasse entspricht.Schwarze Löcher in der Galaxie.
Während eine Milliarde nach viel klingt, würde eine Milliarde Neutronensterne im Vergleich zu den geschätzten 400 Milliarden Sternen in der Milchstraße etwa 0,25 % aller "Sterne" in der Galaxie ausmachen. Also ja, Neutronensterne sind selten.
Wie entstehen Neutronensterne?
Neutronensterne entstehen aus der Schwerkraftkollaps eines besonders großen Sterns, zwischen acht und 30 Sonnenmassen.
Entgegen der Intuition, je größer der Stern, desto schneller verbrennt er seinen Treibstoff, denn je größer der Stern, desto größer die Oberfläche, von der er Energie abstrahlen kann. Also ein Stern, der 30-mal so schwer ist wieunsere Sonne wird ihren Wasserstoffbrennstoff in einem Bruchteil der Zeit verbrennen, die unsere Sonne dafür brauchen würde.
Die rote Riesenphase des größeren Sterns, bei dem es hauptsächlich Helium fusioniert, wird noch schneller enden als die Milliarden Jahre, die unsere Sonne braucht, um ihre Heliumreserven zu erschöpfen.
Die anschließende Verschmelzung von Sauerstoff, Kohlenstoff und Silizium zu Eisen wird noch schneller ablaufen, und dies ist die Obergrenze der Elemente, die jeder Stern zu Energie verschmelzen kann.
Inzwischen kann die nach außen gerichtete Kraft der jeweils stattfindenden Fusion die Schwerkraft von so viel Masse nicht mehr ausgleichen, sodass der Stern an diesem Punkt schnell in seinen Kern kollabiert. Er tut dies mit einer solchen Gewalt, dass er auf den Kern drücktin eine undurchlässige Substanz, deren Dichte vergleichbar ist mit einem zuckerwürfelgroßen Barren mit der Masse des Mt. Everest.
Verständlicherweise prallt das äußere Material des Sterns einfach vom Kern ab wie ein Racquetball, der bei einem Eröffnungsaufschlag gegen eine Betonwand prallt. Dies führt zu einer plötzlichen – und spektakulären – Explosion, da all diese Energie stattdessen nach außen in den Weltraum geleitet wird, was das Ergebnis davon istnennen wir eine Supernova. Diese können so energiereich und leuchtend sein, dass wir sie sogar in fernen Galaxien sehen können.
Der verbleibende Klumpen des Sternkerns bleibt unterdessen durch die heftigen Kräfte des Gravitationskollaps des Sterns zu einer superdichten Kugel zusammengedrückt und ist jetzt das, was wir einen Neutronenstern nennen würden.
Wie groß ist ein Neutronenstern?
Groß ist hier überhaupt nicht das richtige Wort. Ein Neutronenstern ist nach astronomischen Maßstäben unglaublich winzig. Tatsächlich gibt es viele Asteroiden im Sonnensystem, die um ein Vielfaches größer sind als ein typischer Neutronenstern.
Ein durchschnittlicher Neutronenstern hat einen Durchmesser von etwa 19,3 km, was ungefähr innerhalb der Entfernung zwischen dem östlichsten Rand von New York City beginnend an der Grenze des Bezirks Queens mit Nassau Country, Long Island und Midtown liegtManhattan. Tatsächlich würde es sich nicht einmal bis in die Innenstadt von Brooklyn erstrecken und könnte kaum bis zur Williamsburg Bridge reichen.
Im Grunde genommen ist ein Neutronenstern etwa ein Fünftel so groß wie Amerikas größte Stadt – weniger als die Hälfte der Strecke, die ein Läufer beim New York City Marathon zurücklegen müsste –, aber er hat immer noch die dreifache Masse desSonne.
Denken Sie daran, dass die Masse der Sonne in der Lage ist, den Kuipergürtel, einschließlich Pluto, in der Umlaufbahn zu halten, obwohl er Milliarden von Kilometern entfernt ist. Stellen Sie sich nun etwas vor, das zweieinhalb bis dreimal so massiv ist, alles hineingepresstein Volumen, dessen Durchmesser nicht einmal die Länge eines der Außenbezirke von New York City abdecken könnte. So dicht ist ein Neutronenstern, und das führt zu einer wirklich verrückten Physik.
Welche Sterne werden zu Neutronensternen?
Neutronensterne können sich nur aus einem bestimmten Sterntyp bilden. Wenn der ursprüngliche Stern weniger als etwa acht Sonnenmassen hat, wird der Kern des Sterns, sobald er seinen Heliumbrennstoff durchbrennt, seine äußere Materialschicht "abwerfen".
Dies hinterlässt einen dichten Materialkern bekannt als weißer Zwerg, umgeben von einem sogenannten planetarischen Nebel keine Planeten sind tatsächlich an der Entstehung dieses Nebels beteiligt, frühe Astronomen verwechselten diese Nebel nur mit planetarischen Prozessen, und der Name blieb einfach hängen.
Wenn das übrig gebliebene Material schwerer als etwa drei Sonnenmassen ist, dann reicht nicht einmal die physikalische Abstoßung der starken Kernkraft, die Quarks zu Protonen, Elektronen und Neutronen zusammenbindet, aus, um den Gravitationskollaps und einen Stern-Masse Schwarzes Loch wird sich bilden.
Wenn sich das Material in diesem geschätzten Bereich zwischen 1,4 und etwa 2,2 Sonnenmassen befindet, werden die Elektronen der meisten seiner Atome gegen die entsprechenden atomaren Protonen gedrückt und verschmelzen, um eine dichte Neutronenmasse zu erzeugen.
Die Neutronen haben immer noch genug physische Präsenz und Kraft, um den völligen Kollaps des Sterns zu verhindern. Während die Neutronen des Neutronensterns physikalisch so kompakt und dicht wie möglich sein mögen, können sie gerade genug zurückdrängenSchwerkraft, dass der innere Kollaps nicht bis ins Unendliche weitergeht.
Welche Arten von Neutronensternen gibt es?
Es überrascht nicht, dass Neutronensterne ziemlich vielfältig sind; immerhin, wenn Sie sich mit einer Singularitäts-induzierenden Dichte auseinandersetzen, es wird bestimmt kompliziert.
Bisher haben wir bis zu neun verschiedene Neutronensterntypen identifiziert – jeder so exotisch wie der andere.
Funkpulsare sind eine Art Neutronensterne, die stark magnetisiert sind und sich sehr schnell um ihre Achse drehen, bis zu Dutzende Male in einer einzigen Sekunde, und durch einen relativ engen Strahlungsstrahl gekennzeichnet sind, der den Lichtstrahl eines Leuchtturms nachbildet nurviel, viel schneller.
Recycelte Pulsare ähneln normalen Radiopulsaren, sind aber Teil eines binären Systems und sollen theoretisch im Laufe der Zeit an Energie verloren haben und zu verblassen begonnen haben, wurden aber durch Material wiederbelebt, das von seinem Partnerstern angesammelt wurde.
Ein Magnetar ist ein Objekt, das nicht so aussieht, als ob es existieren sollte. Neutronensterne bestehen schließlich aus Neutronen, wie können sie also möglicherweise ein Magnetfeld erzeugen? Nun, in diesen Neutronensternen stecken immer noch einige Protonen, und das sind sieunter unglaublichem Druck komprimiert werden. Dies ist die Art von Umgebung, die erzeugt eine Physik, die man nur als seltsam bezeichnen kann.
Wie seltsam? Nun, das Magnetfeld der Erde kann gemessen werden in Gauss-Einheiten. Das Magnetfeld der Erde beträgt etwa eine Gauss-Einheit, während ein MRT etwa 10.000 Gauss-Einheiten hat. Ein Magnetar? Sein Magnetfeld ist im messbar.Billionen von Gauss-Einheiten und sogar bis in den Bereich von Billiarden Gauss-Einheiten – obwohl es nur ein Bruchteil des Erddurchmessers ist.
Dies ist stark genug, dass eine Annäherung an einen Magnetar auf 620 Meilen 1.000 km nahe genug wäre, dass das Magnetfeld des Magnetars nur Elektronen von den Protonen in Ihrem Körper entkoppeln und alle chemischen Bindungen zwischen den Elementen, die entstehen, auseinanderreißen würdebauen die Proteine auf, aus denen unser Körper besteht.
Das Magnetfeld eines Magnetars ist also so stark, dass wir plötzlich in subatomare Teilchen zerfallen würden, wenn wir uns einem Magnetar nähern würden als 620 Meilen 1.000 km.
Ein weicher Gamma-Repeater ist eine Art Magnetar, das ist gekennzeichnet durch Ausbrüche von Gamma- und Röntgenstrahlung. Es wird angenommen, dass sie auftreten, wenn sich das Magnetfeld des Magnetars verschiebt und die Kruste des Neutronensterns in einem als Sternbeben bekannten Prozess aufbricht. Während eines solchen Ereignisses werden Elektronen und Positronen mit hoher Geschwindigkeit ausgestoßen und ihre Wechselwirkung erzeugt dieStrahlung, die wir beobachten.
Diese Ausbrüche können enorme Auswirkungen auf unsere Umwelt haben, obwohl sie uns hier am Boden wenig schaden. Dennoch reichte 1998 ein Ausbruch von SGR 1900+14 aus, um die obere Erdatmosphäre zu ionisieren und die Funkkommunikation zu stören,obwohl sie etwa 20.000 Lichtjahre von der Erde entfernt entstanden sind.
Ein anomaler Röntgenpulsar ist wahrscheinlich ein Magnetar dessen Impulsperiode ist zu langsam, um die Röntgenemission anzutreiben, erzeugt sie aber trotzdem. Die vorherrschende Theorie ist, dass die Röntgenstrahlen eines anomalen Röntgenpulsers erzeugt werden, wenn das Magnetfeld des Magnetars zerfällt.
Massenarme Röntgendoppelsterne sind Doppelsternsysteme mit entweder einem Schwarzen Loch oder einem Neutronenstern zusammen mit einem relativ schwachen Stern im Spätstadium. Der Neutronenstern oder das Schwarze Loch akkretiert Material von seinem Begleiter und formt es zu einer Scheibe um sich herum.
Das Material in dieser Scheibe bewegt sich mit relativistischer Geschwindigkeit und reibt effektiv an benachbartem Material, wodurch viele Röntgenstrahlen erzeugt werden.
Zwischenmassen-Röntgendoppelsterne sind auch Doppelsternsysteme mit einem Schwarzen Loch oder einem Neutronenstern, die Material von einem Begleitstern absaugen, obwohl der Begleiter in diesem Fall ein Stern mit mittlerer Masse ist, der größer ist als unsere Sonne.
Schließlich wird genug Material vom Neutronenstern oder Schwarzen Loch abgesaugt, um es als massearmes Röntgendoppelsystem neu zu klassifizieren.
Wie Sie sich denken können, a Massenreiche Röntgen-Binärdatei ist auch ein Doppelsternsystem mit einem Neutronenstern oder einem Schwarzen Loch, obwohl sein Begleiter ein besonders großer Stern ist, wie ein blauer Überriese oder ein Wolf-Rayet-Stern. In massereichen Röntgendoppelsternen tendiert der größere Stern dazudominieren das elektromagnetische Spektrum im sichtbaren Licht, während der kleinere Neutronenstern/das Schwarze Loch eine große Menge an Röntgenstrahlung erzeugt.
Schließlich gibt es die akkretionsbetriebene Pulsare. laut NASA, das sind Röntgen-Doppelpulsare, "deren Pulse durch die Akkretionsströmung erzeugt werden, die auf den Neutronenstern trifft. Anstatt gleichmäßig auf den Neutronenstern zu fallen, der stetige Fluss Akkretion der Materie des Begleitsterns wird durch das Magnetfeld des Pulsars auf die Magnetpole des Neutronensterns gelenkt, was zu einem Paar "Hot Spots" auf der Pulsaroberfläche führt."
Wie würde ein Pulsar aussehen?
Es hängt davon ab, wie Sie es betrachten und mit welchem Instrument. Wenn Sie es mit bloßem Auge betrachten würden, würde es wahrscheinlich wie ein weißer Zwerg aussehen, der langsam seine Wärme über Milliarden von Jahren abstrahlt.
Betrachten Sie es jedoch mit einem Radioteleskop, und Sie sehen die Dinge ganz anders. Pulsare senden einen engen Strahl von Radiowellen aus, den Menschen nicht sehen können. Unsere Radioteleskope können es jedoch, und für sie sehen Pulsare so etwas wie ein Leuchtturm aussein Licht über ein dunkles Meer schweifen lassen.
Dieser Sweep geschieht jedoch unglaublich schnell. Da Neutronensterne ihren Spin aus der Zeit, als sie physisch viel größere Sterne waren, beibehalten, drehen sie sich unglaublich schnell, während sie ihre Masse beibehalten.
Dies bedeutet, dass sich der enge Strahl von Radiowellen etwa hundert Mal pro Sekunde oder sogar noch schneller drehen kann und die Pulse von Radiowellen erzeugt, die einem Pulsar seinen Namen geben.
Was verrät die Größe von Neutronensternen über sie?
Die Größe eines Neutronensterns verrät uns einiges.
Erstens kann es uns etwas über die Art des Sterns sagen, der ihn ursprünglich gebildet hat. Zum größten Teil bleibt die Masse eines Sterns während seiner gesamten Lebensdauer erhalten. Sobald wir also ein Gefühl dafür bekommen, wie massereich ein Neutronenstern ist, können wir dies extrapolierenDaten darüber, wie groß der Stern war, der ihn ursprünglich gebildet hat.
Darüber hinaus kann uns die Größe eines Neutronensterns Auskunft über die Wahrscheinlichkeit geben, dass er schließlich zu einem Schwarzen Loch wird. Wenn zwei Neutronensterne kollidieren, wird ihre Masse kombiniert und es ist möglich, dass die Verschmelzung entweder zu einem viel größeren Neutronenstern führen kann oderein Schwarzes Loch mit stellarer Masse.
Wir wissen nicht genau, was die Obergrenze der Masse für einen Neutronenstern ist, daher kann uns die Beobachtung von kollidierenden Neutronensternen viel darüber sagen, wie und unter welchen Bedingungen Schwarze Löcher entstehen können.
Dies könnte uns hoffentlich ein besseres Gefühl dafür geben, wie sich Schwarze Löcher im Universum über das Standardmodell des Sternenkollaps hinaus bilden könnten, und uns wichtige Einblicke in die Dichte dieser exotischen Himmelsobjekte geben.
Ist ein Neutronenstern ein Schwarzes Loch?
Nein, kurz gesagt, ein Neutronenstern ist kein Schwarzes Loch, aber es kommt so nah wie alles andere im Universum daran, eins zu werden.
Präzise Messungen müssen verfeinert werden, um den Bereich der Sterne einzugrenzen, die zu Neutronensternen kollabieren und welche zu Schwarzen Löchern werden, und es gibt Hinweise aus Neutrinoausbrüchen, dass ein Stern zuerst in einen Neutronenstern und dann wieder in einen kollabieren kannein Schwarzes Loch, also ist ein Neutronenstern vielleicht nicht der Endzustand eines Sterns.
Es ist jedoch wichtig, zwischen einem Neutronenstern und einem Schwarzen Loch zu unterscheiden, da sie sehr nahe beieinander, aber auch unendlich weit voneinander entfernt sind.
Kann ein Neutronenstern zu einem Schwarzen Loch werden?
Unter Umständen ja – allerdings nicht alle Neutronensterne.
Da Masse das A und O bei der Bildung von Schwarzen Löchern ist, sind Neutronensterne die einzigen Objekte, die wirklich eine Chance haben, sich außerhalb des anfänglichen Sternkollaps zu Schwarzen Löchern zu entwickeln.
Wenn ein Neutronenstern Teil eines Doppelsternsystems ist, kann er beginnen, Material von seinem Begleitstern zu akkretieren und seine beträchtliche Masse noch weiter aufbauen.
Wenn dies geschieht, kann die Masse des Neutronensterns mathematisch gesehen einen Punkt überschreiten, an dem die Fluchtgeschwindigkeit – das heißt die Geschwindigkeit, die etwas bewegen muss, um sich von der Schwerkraft eines Objekts zu befreien – die Lichtgeschwindigkeit selbst übersteigt.
Wenn dies passiert, wird der Neutronenstern zu einem Schwarzen Loch, und kein Licht kann seinem Ereignishorizont entkommen und sein Inneres für immer in Dunkelheit hüllen. Da kein Licht oder andere Daten seinem Inneren entkommen können, können wir buchstäblich nicht sagen, was passiertweiter. Obwohl einige Physiker das demonstriert haben Schwarze Löcher könnten tatsächlich dazu in der Lage sein Informationen vergießen.
Ob der Neutronenstern so bleibt, wie er ist, oder ob er noch weiter ins Unendliche kollabiert, ist eine offene Frage, die wohl nie befriedigend beantwortet werden wird.
Was passiert, wenn zwei Neutronensterne kollidieren?
Ständig kollidieren Objekte im Weltraum, seien es Planeten, Sterne oder sogar ganze Galaxien. Kollisionen von Neutronensternen sind jedoch aus mehreren Gründen etwas ganz Besonderes.
Erstens, wenn Neutronensterne kollidieren, verschmelzen sie aufgrund ihrer intensiven Gravitationsfelder immer zu einem einzigen Objekt, während die Kollisionen einiger anderer Arten von Sternen die Sterne zerstören und riesige Nebel aus Wasserstoffgas hinterlassen können.
Diese Verschmelzungen können innerhalb von Millisekunden ein Magnetfeld erzeugen, das Billionen Mal stärker ist als das der Erde, und kurze Gammastrahlenausbrüche erzeugen, die zu den stärksten Energieausbrüchen gehören, die seit dem Urknall im Universum beobachtet wurden.
Diese Arten von Fusionen sind ebenfalls wichtig, da sie die Quelle vieler schwerer Elemente im Universum, wie Gold, die während eines Prozesses hergestellt werden, der als bekannt ist schneller Neutroneneinfang.
Da die Atomkerne von Elementen, die schwerer als Eisen sind, schnell zerfallen können, brauchen sie Neutronen, um sie zu stabilisieren, und sie brauchen sie sehr schnell. Verschmelzungen von Neutronensternen gelten als einer der wenigen Orte, an denen ein so schneller Neutroneneinfang möglich ist. EsDies kann jedoch nicht der einzige Weg sein, daher gibt es immer noch eine Debatte darüber, ob dies der Fall ist.
Neutronensternverschmelzungen sind auch eines der wenigen Ereignisse, die Gravitationswellen erzeugen können die anderen beiden sind Verschmelzungen von Neutronensternen und Schwarzen Löchern und die Verschmelzung von zwei Schwarzen Löchern, und daher sind sie unglaublich mächtige Ereignisse, die das Gewebe buchstäblich erschüttern könnenFreizeit.
Wird die Sonne zum Neutronenstern?
Kurz gesagt, nein, das wird es nicht.
Astronomen haben die Sonne buchstäblich seit Jahrtausenden studiert. Wir kennen ihre Masse mehr oder weniger und wir können ihr Schicksal mehrere Milliarden Jahre in die Zukunft vernünftig vorhersagen.
Die Sonne hat einfach nicht die Masse, um einen Neutronenstern zu bilden. Wenn die Sonne ihren Wasserstoffbrennstoff aufgebraucht hat, expandiert sie schnell zu einem mit Helium verschmelzenden roten Riesen. Wenn sie diesen Brennstoff aufgebraucht hat, ist das so ziemlich alles.
Es ist einfach nicht massiv genug, um dieses Helium weiter zu verschmelzen, insbesondere in seinen äußeren Schichten, also wird es einfach all diese zusätzliche Masse loslassen, wie eine Zikade, die ihr Exoskelett abwirft.
Dieses überschüssige Material wird einen planetarischen Nebel um den weißglühenden Restkern der Sonne bilden, der nun als Weißer Zwerg klassifiziert würde. Am Ende ist unsere Sonne dazu bestimmt, zu sehen eher wie der Standardnebel als alles andere.
Und obwohl dies nicht annähernd so aufregend ist wie ein Neutronenstern, gibt es im Universum immer noch viele Neutronensterne zu untersuchen, und Wissenschaftler lernen jedes Jahr mehr über diese faszinierenden Objekte.