Neutronensterne entstehen, wenn der Kern eines massereichen Sterns kollabiert. Sie sind klein, aber extrem dicht. Doch wie massereich kann ein solcher Sternenrest werden? Sehr nah an der Obergrenze des Möglichen könnte ein rund 3000 Lichtjahre entfernter, besonders schnell rotierender Pulsar sein, wie nun Astronomen festgestellt haben. Ihren Messdaten nach ist dieser Pulsar 2,35 Sonnenmassen schwer. Er ist damit der bisher schwerste und dichteste Neutronenstern der Milchstraße. Würde dieser Pulsar nicht extrem schnell rotieren, wäre er vermutlich schon zum Schwarzen Loch kollabiert. Seine große Masse könnte der Neutronenstern seinem Begleitstern verdanken, dem er Materie abgezogen hat.
Neutronensterne sind nur zehn bis 15 Kilometer groß, können aber ein bis zwei Sonnenmassen schwer sein. Damit gehören zu den dichtesten Objekten im Kosmos. Die Materie in ihnen ist so stark komprimiert, dass ein Teelöffel voll davon Milliarden Tonnen wiegen würde. Der Druck in ihren Inneren lässt selbst Atome zerfallen und Elektronen mit Protonen verschmelzen. Dabei entstehen Neutronen, so dass diese Sternenreste nur aus Neutronen und ihren Bausteinen, den Quarks, bestehen. Doch wie schwer kann ein Neutronenstern werden? Klar ist, dass es eine Masseobergrenze geben muss, ab der ein solcher Himmelskörper zum Schwarzen Loch kollabiert. Für nicht-rotierende Neutronensterne ist es Astrophysikern im Jahr 2018 bereits gelungen, mithilfe der Zustandsgleichungen, die die gegenseitige Abhängigkeit von Druck, Volumen und Temperatur in diesen Objekten beschreiben, eine Obergrenze von 2,16 Sonnenmassen zu ermitteln. Unklar ist aber weiterhin, wo diese Grenze bei schnell rotierenden Neutronensternen, beispielsweise in Form von Millisekunden-Pulsaren, liegt. Denn bei diesen Sternenresten wirken die durch die Rotation entstehenden Kräfte der Gravitation entgegen und stabilisieren sie dadurch.
Schnell rotierendes Schwergewicht
Jetzt liefert der schnellste bekannte Neutronenstern der Milchstraße neue Informationen zu dieser Frage. Der 2017 entdeckte Pulsar PSR J0952-0607 dreht sich 42.000 Mal pro Minute um seine eigene Achse und sendet dabei starke Radio- und Gammastrahlung aus. Er ist zudem eine “Schwarze Witwe”: Er wird von einem nur noch rund 20 Jupitermassen schweren Begleitstern umkreist, den er im Laufe der Zeit fast vollständig erodiert und zerstört hat. Um die Masse dieses Pulsars zu bestimmen, haben Roger Romani von der Stanford University und seine Kollegen nun das ungleiche Paar wiederholt mit dem Zehn-Meter-Teleskop des Keck-Observatoriums in Hawaii ins Visier genommen. Mithilfe eines hochauflösenden Spektrografen beobachteten sie winzige Schwankungen im Lichtspektrum des Begleitsterns. Diese verrieten ihnen, wie sich dieser Stern bewegt, aber auch, welchen Schwerkrafteinfluss der Neutronenstern auf ihn hat. Daraus konnten sie die Masse des Pulsars bestimmen.
Die Messungen ergaben, dass der Pulsar PSR J0952-0607 rund 2,35 Sonnenmassen schwer ist. Er ist damit der bisher schwerste bekannte Neutronenstern der Milchstraße – und liegt wahrscheinlich nahe an der absoluten Obergrenze für Neutronensterne, wie die Astronomen berichten. “Wir werden nach weiteren Schwarzen Witwen und ähnlichen Neutronensternen suchen, die sich noch näher an der Grenze zum Schwarzen Loch bewegen”, sagt Romani. “Aber wenn wir keine finden, stärkt dies das Argument, dass gut 2,3 Sonnenmassen die absolute Obergrenze ist.” Seine ungewöhnlich große Masse verdankt PSR J0952-0607 wahrscheinlich der Tatsache, dass er eine Schwarze Witwe ist: Im Laufe der Zeit hat er seinem Begleitstern enorme Mengen an Material abgezogen und wurde erst dadurch zum Schwergewicht. “Aus unseren Daten schließen wir, dass PSR J0952-0607 mindestens 0,5 Sonnenmassen, wahrscheinlich aber eher eine Sonnenmasse durch Akkretion hinzugewonnen hat”, berichten die Astronomen.
Hinweise auf das Innenleben
Die Massenbestimmung dieses Pulsars erlaubt auch Rückschlüsse darauf, wie es im Inneren von Neutronensternen aussieht. Denn die Materie in diesem Sternenrest ist so stark komprimiert, dass er wahrscheinlich auch das dichteste sichtbare Himmelsobjekt ist – nur Schwarze Löcher sind noch dichter. Der Druck im Inneren der Neutronensterne ist gängigen Modellen nach so hoch, dass die Neutronen teilweise in ihre Grundbestandteile zerfallen, die Up- und Down-Quarks. Zusammen bilden diese Teilchen eine exotische, superfluide Flüssigkeit aus Neutronen und Quarks. Bisher ist allerdings unklar, ob im Zentrum der Sternenreste vielleicht noch exotischere Teilchen existieren, darunter Strange-Quarks oder die aus ihnen zusammengesetzten Kaonen. Weil deren Entstehung von den Bedingungen im Inneren abhängt, kann die Bestimmung der Massenobergrenze für Neutronensterne verraten, ob es diese Teilchen dort geben kann.
Nach Ansicht von Romani und seine Kollegen spricht die nun von ihnen ermittelte Masse des Pulsars eher gegen solche exotischen Mischungen. “Eine hohe Maximalmasse für Neutronensterne deutet darauf hin, dass die Mischung aus Neutronen und Up- und Down-Quarks bis ins Zentrum reicht”, erklärt Romani. “Das schließt viele in einigen Modellen vorgeschlagene exotischere Zustände der Materie aus.”
Quelle: Roger Romani (Stanford University) et al., The Astrophysical Journal Letters, in press; arXiv:2207.05124
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