Wissenschaftler haben ihre bisher beste Messung der Größe und des Inhalts eines Neutronensterns erhalten, eines ultradichten Objekts, das die seltsamste und seltenste Materie im Universum enthält.
Diese Messung kann zu einem besseren Verständnis der Bausteine der Natur führen - Protonen, Neutronen und ihre konstituierenden Quarks -, da sie im Neutronenstern auf eine Dichte komprimiert werden, die Billionen Mal höher ist als auf der Erde.
Dr. Tod Strohmayer vom Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt, Md., Und sein Kollege Adam Villarreal, ein Doktorand an der Universität von Arizona, präsentieren diese Ergebnisse heute auf einer webbasierten Pressekonferenz in New Orleans auf dem Treffen von die High Energy Astrophysics Division der American Astronomical Society.
Sie sagten, ihre beste Schätzung des Radius eines Neutronensterns sei 11,5 Kilometer (7 Meilen) plus oder minus einem Spaziergang durch das French Quarter. Die Masse scheint 1,75-mal so groß zu sein wie die der Sonne, massereicher als manche Theorien vorhersagen. Sie nahmen ihre Messungen mit dem Rossi X-ray Timing Explorer der NASA vor und archivierten Röntgendaten
Die lang ersehnte Masse-Radius-Beziehung definiert die interne Dichte- und Druckbeziehung des Neutronensterns, die sogenannte Zustandsgleichung. Und dies bestimmt wiederum, welche Art von Materie in einem Neutronenstern existieren kann. Die Inhalte bieten einen entscheidenden Test für Theorien, die die fundamentale Natur von Materie und Energie sowie die Stärke nuklearer Wechselwirkungen beschreiben.
"Wir möchten das Zeug wirklich gerne in der Mitte eines Neutronensterns in die Hände bekommen", sagte Strohmayer. "Aber da wir das nicht können, geht es hier um das nächstbeste. Ein Neutronenstern ist ein kosmisches Labor und bietet die einzige Möglichkeit, die Auswirkungen von Materie zu sehen, die so stark komprimiert ist. “
Ein Neutronenstern ist der Kern eines Sterns, der einmal größer als die Sonne war. Das Innere enthält Materie unter Kräften, die vielleicht im Moment des Urknalls existierten, aber auf der Erde nicht dupliziert werden können. Der Neutronenstern in der heutigen Ankündigung ist Teil eines Doppelsternsystems namens EXO 0748-676, das sich im Sternbild Volans oder Flying Fish befindet und etwa 30.000 Lichtjahre entfernt ist und mit einem großen Hinterhofteleskop am südlichen Himmel sichtbar ist.
In diesem System taucht Gas von einem „normalen“ Begleitstern auf den Neutronenstern ein, der von der Schwerkraft angezogen wird. Dies löst thermonukleare Explosionen auf der Neutronensternoberfläche aus, die die Region beleuchten. Solche Bursts zeigen oft die Spinrate des Neutronensterns durch ein Flackern im emittierten Röntgenlicht, das als Burst-Oszillation bezeichnet wird. (In den Punkten 1 bis 6 finden Sie das Konzept eines Künstlers für diesen Prozess. Ein Film und eine detaillierte Bildunterschrift finden Sie in der blauen Spalte rechts.)
Die Wissenschaftler stellten eine 45-Hertz-Burst-Oszillationsfrequenz fest, die einer Neutronenstern-Spinrate von 45 Mal pro Sekunde entspricht. Dies ist ein gemächliches Tempo für Neutronensterne, die sich oft über 300 Mal pro Sekunde drehen.
Die Wissenschaftler nutzten als nächstes die Beobachtungen von EXO 0748-676 mit dem XMM-Newton-Satelliten der Europäischen Weltraumorganisation aus dem Jahr 2002 unter der Leitung von Dr. Jean Cottam von der NASA Goddard. Cottams Team hatte Spektrallinien entdeckt, die von heißem Gas emittiert wurden, ähnlich wie die Linien eines Kardiogramms. Diese Linien hatten zwei Merkmale. Erstens wurden sie Doppler-verschoben. Dies bedeutet, dass die detektierte Energie ein Durchschnitt des Lichts war, das sich um den Neutronenstern dreht und sich von uns weg und dann auf uns zubewegt. Zweitens waren die Linien gravitativ rot verschoben. Dies bedeutet, dass die Schwerkraft das Licht anzog, als es versuchte, der Region zu entkommen und ein wenig von seiner Energie zu stehlen.
Strohmayer und Villarreal stellten fest, dass die 45-Hertz-Frequenz und die beobachteten Linienbreiten aus der Doppler-Verschiebung mit einem Neutronensternradius zwischen 9,5 und 15 Kilometern übereinstimmen, wobei die beste Schätzung bei 11,5 Kilometern liegt. Die Beziehung zwischen Burst-Frequenz, Doppler-Verschiebung und Radius besteht darin, dass die Geschwindigkeit des um die Sternoberfläche wirbelnden Gases vom Radius des Sterns und seiner Spinrate abhängt. Im Wesentlichen entspricht ein schnellerer Spin einer breiteren Spektrallinie (eine Technik ähnlich der, mit der ein State Trooper schnell fahrende Autos erkennen kann).
Die Rotverschiebungsmessung des Cottam-Teams bot die erste Messung eines Masse-Radius-Verhältnisses, allerdings ohne Kenntnis von Masse und Radius. Dies liegt daran, dass der Grad der Rotverschiebung (Schwerkraftstärke) von der Masse und dem Radius des Neutronensterns abhängt. Einige Wissenschaftler hatten diese Messung in Frage gestellt, da die detektierten Spektrallinien zu eng erschienen. Die neuen Ergebnisse verstärken die Gravitationsrotverschiebungsinterpretation der Spektrallinien des Cottam-Teams (und damit des Massenradiusverhältnisses), da ein sich langsamer drehender Stern leicht solche relativ schmalen Linien erzeugen kann.
Die Wissenschaftler waren sich des Masse-Radius-Verhältnisses immer sicherer und kannten nun den Radius. Sie konnten die Masse des Neutronensterns berechnen. Der Wert lag zwischen 1,5 und 2,3 Sonnenmassen, wobei die beste Schätzung bei 1,75 Sonnenmassen lag.
Das Ergebnis stützt die Theorie, dass Materie im Neutronenstern in EXO 0748-676 so dicht gepackt ist, dass fast alle Protonen und Elektronen in Neutronen gepresst werden, die als Superfluid herumwirbeln, eine Flüssigkeit, die ohne Reibung fließt. Die Angelegenheit ist jedoch nicht so eng gepackt, dass Quarks, ein sogenannter Quarkstern, freigesetzt werden.
"Unsere Ergebnisse beginnen wirklich, die Neutronenstern-Zustandsgleichung zu quetschen", sagte Villareal. „Es sieht so aus, als wären Zustandsgleichungen, die entweder sehr große oder sehr kleine Sterne vorhersagen, nahezu ausgeschlossen. Vielleicht aufregender ist, dass wir jetzt eine Beobachtungstechnik haben, mit der wir die Masse-Radius-Beziehungen in anderen Neutronensternen messen können. “
Eine vorgeschlagene NASA-Mission namens Constellation X-ray Observatory hätte die Möglichkeit, solche Messungen für eine Reihe von Neutronensternsystemen durchzuführen, jedoch mit viel größerer Präzision.
Originalquelle: NASA-Pressemitteilung
