Das Chandra-Röntgenobservatorium der NASA hat den ersten direkten Beweis für ein Superfluid, einen bizarren, reibungsfreien Materiezustand, im Kern eines Neutronensterns gefunden.
Das heute veröffentlichte Bild oben zeigt Röntgenstrahlen von Chandra (rot, grün und blau) und optische Daten von Hubble (gold) von Cassiopeia A, den Überresten eines massiven Sterns, der in einer Supernova explodierte. Der Beweis für Superfluid wurde im dichten Kern des zurückgelassenen Sterns gefunden, einem sogenannten Neutronenstern. Die Abbildung des Künstlers im Einschub zeigt einen Ausschnitt aus dem Inneren des Neutronensterns, in dem die Dichte von der orangefarbenen Kruste zum roten Kern und schließlich zur inneren roten Kugel, der Region, in der das Superfluid existiert, zunimmt.
Superfluide, die in Labors auf der Erde erzeugt werden, weisen bemerkenswerte Eigenschaften auf, wie die Fähigkeit, nach oben zu klettern und luftdichten Behältern zu entkommen. Wenn sie aus geladenen Teilchen bestehen, sind Superfluide auch Supraleiter und lassen elektrischen Strom ohne Widerstand fließen. Solche Materialien auf der Erde haben weit verbreitete technologische Anwendungen wie die Herstellung der supraleitenden Magnete, die für die Magnetresonanztomographie (MRT) verwendet werden.
Zwei unabhängige Forschungsteams haben Chandra-Daten verwendet, um zu zeigen, dass das Innere eines Neutronensterns superfluide und supraleitende Materie enthält, eine Schlussfolgerung mit wichtigen Implikationen für das Verständnis nuklearer Wechselwirkungen in Materie mit den höchsten bekannten Dichten. Die Teams veröffentlichen ihre Forschungsergebnisse separat in den Zeitschriften Monatliche Mitteilungen der Briefe der Royal Astronomical Society und Briefe zur körperlichen Überprüfung.
Cas A (RA 23h 23m 26.7s | Dez + 58 ° 49 ′ 03.00) liegt etwa 11.000 Lichtjahre entfernt. Sein Stern explodierte vor etwa 330 Jahren im Zeitrahmen der Erde. Eine Folge von Chandra-Beobachtungen des Neutronensterns zeigt, dass sich das jetzt kompakte Objekt über einen Zeitraum von zehn Jahren um etwa 4 Prozent abgekühlt hat.
"Obwohl dieser Temperaturabfall klein klingt, war er wirklich dramatisch und überraschend", sagte Dany Page von der Nationalen Autonomen Universität in Mexiko, Leiter eines der beiden Teams. "Dies bedeutet, dass in diesem Neutronenstern etwas Ungewöhnliches passiert."
Neutronensterne enthalten die dichteste bekannte Materie, die direkt beobachtbar ist; Ein Teelöffel Neutronensternmaterial wiegt sechs Milliarden Tonnen. Der Druck im Kern des Sterns ist so hoch, dass die meisten geladenen Teilchen, Elektronen und Protonen, verschmelzen - was zu einem Stern führt, der hauptsächlich aus Neutronen besteht.
Die neuen Ergebnisse deuten stark darauf hin, dass sich die verbleibenden Protonen im Kern des Sterns in einem superfluiden Zustand befinden und, da sie eine Ladung tragen, auch einen Supraleiter bilden.
Beide Teams zeigen, dass die schnelle Abkühlung in Cas A durch die Bildung eines Neutronensuperfluids im Kern des Neutronensterns innerhalb der letzten 100 Jahre von der Erde aus erklärt wird. Die schnelle Abkühlung wird voraussichtlich einige Jahrzehnte andauern und sich dann verlangsamen.
"Es stellt sich heraus, dass Cas A ein Geschenk des Universums sein könnte, weil wir genau zum richtigen Zeitpunkt einen sehr jungen Neutronenstern fangen müssten", sagte Madappa Prakash, Co-Autorin von Page von der Ohio University. "Manchmal kann ein bisschen Glück in der Wissenschaft viel bewirken."
Das Einsetzen der Superfluidität in Materialien auf der Erde tritt bei extrem niedrigen Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt auf, aber in Neutronensternen kann es bei Temperaturen nahe einer Milliarde Grad Celsius auftreten. Bisher gab es eine sehr große Unsicherheit bei der Schätzung dieser kritischen Temperatur. Diese neue Forschung beschränkt die kritische Temperatur auf eine halbe Milliarde bis knapp eine Milliarde Grad.
Mit Cas A können Forscher Modelle testen, wie sich die starke Kernkraft, die subatomare Partikel bindet, in ultradenser Materie verhält. Diese Ergebnisse sind auch wichtig für das Verständnis einer Reihe von Verhaltensweisen in Neutronensternen, einschließlich „Störungen“, Präzession und Pulsation von Neutronensternen, magnetischen Ausbrüchen und der Entwicklung von Magnetfeldern von Neutronensternen.
Quellen: Pressemitteilungen der Royal Astronomical Society und von Harvard. Weitere Multimedia-Inhalte finden Sie auf der Chandra-Seite der NASA sowie in den beiden Studien in MNRAS und Phys. Rev. Briefe.
