Neutronensterne und Pulsare – Extreme des Universums

Ein Neutronenstern ist das extrem dichte Überbleibsel eines massereichen Sterns, der sein Leben in einer gewaltigen Supernova-Explosion beendet hat. Wenn der Kern eines solchen Sterns kollabiert, werden Protonen und Elektronen durch die immense Schwerkraft zu Neutronen verschmolzen. Das Ergebnis ist eine Kugel von der Masse unserer Sonne, die jedoch nur einen Durchmesser von etwa zwanzig Kilometern besitzt. Die Dichte in seinem Inneren ist so gewaltig, dass ein winziges Stück dieser Materie auf der Erde Milliarden von Tonnen wiegen würde. Durch die extreme Komprimierung während des Kollapses beginnt der Stern, sich mit einer rasanten Geschwindigkeit um seine eigene Achse zu drehen. Gleichzeitig wird das Magnetfeld des ursprünglichen Sterns auf einen winzigen Raum konzentriert und dadurch millionenfach verstärkt.

Ein Pulsar ist im Grunde ein solcher rotierender Neutronenstern, der wie ein kosmischer Leuchtturm fungiert. Er sendet an seinen magnetischen Polen gebündelte Strahlen aus elektromagnetischer Strahlung aus, die weit in das Weltall hinausreichen. Da die magnetische Achse meist nicht mit der Rotationsachse übereinstimmt, kreisen diese Strahlen während der Drehung des Sterns durch den Raum. Wenn ein solcher Strahlkegel die Erde überstreicht, registrieren Astronomen einen kurzen und regelmäßigen Impuls. Diese Signale sind so präzise, dass sie von Wissenschaftlern oft als die genauesten Uhren des Universums bezeichnet werden. Manche dieser Objekte rotieren mehrere hundert Mal pro Sekunde und werden deshalb Millisekundenpulsare genannt. Die Entdeckung dieser Signale im Jahr 1967 war eine Sensation, da man sie anfangs fälschlicherweise für Zeichen außerirdischer Intelligenz hielt.

Heute dienen Pulsare der Forschung als natürliche Laboratorien, um die allgemeine Relativitätstheorie und das Verhalten von Materie unter extremem Druck zu testen. Über sehr lange Zeiträume hinweg verliert ein Pulsar durch die Abstrahlung von Energie langsam an Rotationsgeschwindigkeit. Sobald die Drehung zu langsam wird, versiegt der Strahlungsstrom und der Stern wird für unsere Teleskope unsichtbar. Er bleibt jedoch als kalter und dunkler Neutronenstern bestehen, der kaum noch nachzuweisen ist. In Doppelsternsystemen können Neutronensterne durch das Absaugen von Gas ihres Begleiters wieder beschleunigt werden und erneut hell aufleuchten. Die Verschmelzung zweier solcher Objekte ist zudem die Quelle für die Entstehung schwerer Elemente wie Gold und Platin im Kosmos. Somit stellen Neutronensterne und Pulsare eine Brücke zwischen der Astronomie und der fundamentalen Teilchenphysik dar. Durch ihre Beobachtung lernen wir mehr über die Grenzen der Physik und die Entwicklung ganzer Galaxien.

Was genau ist ein Neutronenstern?

Ein Neutronenstern entsteht, wenn ein massereicher Stern am Ende seines Lebens in einer gewaltigen Supernova-Explosion kollabiert. Während die äußeren Hüllen ins All gesprengt werden, stürzt der Kern des Sterns unter seiner eigenen enormen Schwerkraft in sich zusammen. In diesem Prozess werden Elektronen und Protonen so stark gegeneinander gepresst, dass sie fast vollständig zu Neutronen verschmelzen. Das Ergebnis ist ein extrem kompaktes Objekt, das etwa das Anderthalbfache der Masse unserer Sonne in einer Kugel von nur zwanzig Kilometern Durchmesser vereint. Die Dichte in seinem Inneren ist so hoch, dass ein stecknadelkopfgroßes Stück dieser Materie auf der Erde etwa eine Million Tonnen wiegen würde.

An der Oberfläche besitzt ein Neutronenstern eine feste Kruste aus Eisenkernen, die durch die extreme Schwerkraft fast vollkommen glatt gepresst wird. Gebirge auf seiner Oberfläche könnten aufgrund der Anziehungskraft maximal wenige Millimeter hoch sein. Unter der Kruste befindet sich eine Schicht aus freien Neutronen, die sich wie eine reibungsfreie Flüssigkeit verhalten. In noch größeren Tiefen vermuten Wissenschaftler exotische Materiezustände, wie zum Beispiel die sogenannte nukleare Pasta oder ein Quark-Gluon-Plasma. Da der Stern beim Kollaps massiv schrumpft, dreht er sich aufgrund der Drehimpulserhaltung oft viele Male pro Sekunde um seine eigene Achse. Gleichzeitig werden die Magnetfelder des ursprünglichen Sterns auf einen winzigen Raum konzentriert und erreichen unvorstellbare Stärken.

Diese Magnetfelder beschleunigen Teilchen, die dann an den Polen des Sterns als intensive Strahlungskegel austreten. Wenn diese Strahlung periodisch die Erde trifft, nehmen wir das Objekt als einen regelmäßig blinkenden Pulsar wahr. Ohne diese Rotation oder Strahlung sind Neutronensterne im dunklen Weltraum kaum aufzuspüren. Sie kühlen über Jahrmillionen hinweg langsam ab, bleiben jedoch als extrem dichte Überreste bestehen. Sollte ein Neutronenstern durch die Aufnahme von Materie eine kritische Massengrenze überschreiten, bricht er schließlich zu einem Schwarzen Loch zusammen. Die Erforschung dieser Himmelskörper hilft der Wissenschaft, die extremsten physikalischen Gesetze des Universums zu verstehen. Neutronensterne sind somit faszinierende Laboratorien der Natur, in denen Materie an ihre absolut äußeren Grenzen getrieben wird.

Was genau ist ein Pulsar?

Ein Pulsar ist ein extrem kompakter und schnell rotierender Neutronenstern, der wie ein kosmischer Leuchtturm im Weltraum wirkt. Er entsteht aus den Überresten eines massereichen Sterns, der am Ende seines Lebens in einer gewaltigen Supernova-Explosion kollabiert ist. Der Name Pulsar leitet sich vom englischen Begriff „pulsating source of radio emission“ ab, was so viel wie pulsierende Radioquelle bedeutet. Obwohl diese Objekte selbst nicht pulsieren oder blinken, nehmen wir ihre Strahlung auf der Erde in Form von regelmäßigen, kurzen Pulsen wahr. Dies liegt daran, dass der Stern zwei scharf gebündelte Strahlen aus elektromagnetischer Strahlung an seinen magnetischen Polen aussendet. Da die magnetische Achse des Sterns meist schräg zur seiner Rotationsachse steht, kreisen diese Strahlen während der Drehung durch das All.

Jedes Mal, wenn ein Strahlkegel zufällig die Erde überstreicht, registrieren unsere Teleskope einen kurzen Impuls. Die Rotationsgeschwindigkeit eines Pulsars ist dabei oft so hoch, dass er sich hunderte Male pro Sekunde um die eigene Achse drehen kann. Solche extrem schnellen Objekte werden in der Astronomie als Millisekundenpulsare bezeichnet. Die Pulse sind dabei so unglaublich präzise und regelmäßig, dass sie oft mit der Genauigkeit von Atomuhren verglichen werden. Durch diese Eigenschaft nutzen Wissenschaftler Pulsare als natürliche Messinstrumente, um beispielsweise Gravitationswellen im Universum aufzuspüren. Über Jahrmillionen hinweg verliert ein Pulsar jedoch langsam an Energie und verringert seine Drehgeschwindigkeit. Wenn die Rotation zu langsam wird, erlischt der Leuchtturmeffekt und der Stern wird für uns unsichtbar. Entdeckt wurde der erste Pulsar im Jahr 1967 durch die Astronomin Jocelyn Bell Burnell, die zunächst an Signale von Außerirdischen dachte. Heute wissen wir jedoch, dass es sich um rein natürliche Phänomene handelt, die uns Einblicke in die extremsten Zustände von Materie ermöglichen. Pulsare gehören damit zu den faszinierendsten Laboratorien der Astrophysik, da sie physikalische Bedingungen bieten, die auf der Erde niemals erreicht werden könnten.

Wie genau entsteht die Strahlung an den Polen eines Pulsars?

Das Magnetfeld eines Pulsars ist so gewaltig, dass es die gesamte Umgebung des Sterns dominiert und eine sogenannte Magnetosphäre bildet. Durch die extrem schnelle Rotation des Sterns entstehen in dieser Magnetosphäre gigantische elektrische Spannungen von vielen Billionen Volt. Diese Spannungen sind stark genug, um geladene Teilchen wie Elektronen und Positronen von der Oberfläche des Sterns zu reißen und sie fast auf Lichtgeschwindigkeit zu beschleunigen. Da sich diese Teilchen nicht quer zu den magnetischen Feldlinien bewegen können, werden sie gezwungen, den Linien bis zu den magnetischen Polen zu folgen.

An den Polen sind die Feldlinien besonders konzentriert und offen, was wie ein natürlicher Teilchenbeschleuniger wirkt. Wenn die beschleunigten Teilchen entlang der gekrümmten Magnetfeldlinien rasen, geben sie hochenergetische Strahlung in Form von Synchrotronstrahlung ab. Diese Strahlung wird in zwei extrem engen, kegelförmigen Bündeln direkt über den Magnetpolen ins All hinausgeschossen. Da die Magnetpole meist schräg zur Rotationsachse des Sterns liegen, kreisen diese Strahlungskegel wie die Scheinwerfer eines Autos durch den Weltraum. Für einen Beobachter auf der Erde entsteht ein Puls immer dann, wenn einer dieser Kegel genau in unsere Richtung zeigt. Dieser Prozess wandelt die Rotationsenergie des Sterns direkt in messbare elektromagnetische Wellen um. Dadurch verliert der Pulsar über Jahrmillionen stetig an Energie, bis die Teilchenbeschleunigung schließlich zum Erliegen kommt.

Neutronensterne und Pulsare gehören zu den extremsten und faszinierendsten Objekten im Universum. Sie sind die Überreste massereicher Sterne, die am Ende ihres Lebens in einer Supernova explodiert sind.

Übersicht über ihre Entstehung und Eigenschaften der beiden

1. Wie entstehen Neutronensterne?

Wenn ein Stern mit der etwa 8- bis 25-fachen Masse unserer Sonne seinen Brennstoff verbraucht hat, kollabiert sein Kern unter der eigenen Schwerkraft. Während die äußeren Schichten in einer Supernova abgestoßen werden, wird der Kern so stark komprimiert, dass Protonen und Elektronen zu Neutronen verschmelzen.

• Dichte: Ein Neutronenstern hat etwa die 1,4-fache Masse der Sonne, aber nur einen Durchmesser von etwa 20 Kilometern (etwa so groß wie eine Stadt).
• Gewicht: Ein Teelöffel voll Neutronenstern-Materie würde auf der Erde etwa eine Milliarde Tonnen wiegen.

2. Was ist ein Pulsar?

Ein Pulsar ist im Grunde ein rotierender Neutronenstern, der wie ein kosmischer Leuchtturm fungiert.

Bei der extremen Kompression des Kerns während der Supernova bleiben zwei Dinge erhalten (und verstärken sich massiv): der Drehimpuls und das Magnetfeld.

• Rotation: Pulsare drehen sich unglaublich schnell – von einmal pro Sekunde bis zu mehreren hundert Mal pro Sekunde (Millisekunden-Pulsare).
• Magnetfeld: Sie besitzen extrem starke Magnetfelder. Diese Felder beschleunigen Teilchen, die dann in zwei gebündelten Strahlen (Beams) an den Magnetpolen austreten.
• Der Leuchtturm-Effekt: Da die Magnetpole meist nicht mit der Rotationsachse übereinstimmen, streichen diese Strahlen wie bei einem Leuchtturm durch das All. Wenn ein solcher Strahl die Erde trifft, registrieren wir einen regelmäßigen Radioimpuls (Puls).

3. Warum sind sie wichtig für die Wissenschaft?

Neutronensterne und Pulsare dienen Physikern als „Laboratorien“, die man auf der Erde niemals nachbauen könnte:

1. Extreme Materie: Sie helfen zu verstehen, wie sich Materie unter höchstem Druck verhält (Quantenchronodynamik).
2. Zeitmessung: Die Pulse sind so präzise, dass sie als extrem genaue Uhren im Weltraum dienen.
3. Gravitationswellen: Wenn zwei Neutronensterne kollidieren (Kilonova), entstehen schwere Elemente wie Gold und Platin sowie messbare Wellen in der Raumzeit.

Übersicht, der wichtigsten Unterschiede und Gemeinsamkeiten zwischen Neutronensternen und Pulsaren

Da Neutronensterne und Pulsare physisch fast immer die gleiche Größe (ca. 20–26 km Durchmesser) haben, definiert sich „die Größe“ in der Astronomie über die Masse. Je massereicher sie sind, desto näher stehen sie an der Grenze zum Schwarzen Loch.

Hier sind die derzeit massereichsten bekannten Exemplare:

Hintergrundinformationen zu den Daten

• Masse vs. Radius: Es ist ein Paradoxon der Astrophysik, dass schwerere Neutronensterne tendenziell einen etwas kleineren Radius haben als leichtere, da die stärkere Gravitation die Materie noch dichter zusammenpresst.
• Die 2,5-Sonnenmassen-Grenze: PSR J1748-2021B liegt extrem nah an der theoretischen Grenze (Tolman-Oppenheimer-Volkoff-Grenze). Würde er noch schwerer werden, gäbe es keine bekannte Kraft im Universum, die den Kollaps zu einem Schwarzen Loch aufhalten könnte.
• Entfernungsmessung: Die Entfernungen sind oft Schätzwerte. Bei Pulsaren nutzt man die „Dispersion“: Radiowellen werden durch freie Elektronen im All verzögert. Je weiter weg der Pulsar ist, desto stärker ist diese Verzögerung.