Die Reise zu den Schwarzen Löchern, Station 9 – Quarktaschen im Universum

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Liebe Mitlesenden,

Dies ist nun Station 9, unsere letzte Rast, bevor wir zu den schwarzen Löchern kommen.
Da wir schon acht Stationen hinter uns haben, müssen wir bei Station neun vermutlich etwas länger rasten und verweilen. Will sagen, es könnte etwas länglich werden.

Wir haben uns auf der letzten Station mit dem beschäftigt, was übrig bleiben kann, wenn ein Stern stirbt, mit den weißen Zwergen. Sie sind sehr klein, sehr heiß und ihre Materie ist so dicht, dass sich Elektronen, Protonen und Neutronen einzeln in ihm befinden und alle Atomkerne zerbrochen sind. Am Ende haben wir auch gehört, dass der Rest eines gestorbenen Sternes höchstens 1,44 Sonnenmassen betragen darf, um zu einem weißen Zwerg zu werden. Heute befassen wir uns mit dem, was übrig bleibt, wenn der Rest diese Masse übersteigt. Es geht um die Quarktaschen im Universum, um Neutronensterne.

Jenseits der weißen Zwerge

Mit zunehmend verbesserten Teleskopen und Messmethoden wurde bald klar, dass es Sterne geben muss, die deutlich schwerer, die z. B. das hundertfache unserer Sonne wiegen. Klar war auch, dass Sterne am Ende ihres Lebens noch einiges ihrer Masse entweder als planetare Nebel abwerfen, bzw. noch spektakulärer als Novae oder Supernover, gewaltigen Sternexplosionen enden. Leider sind Novae und Supernovae selten, so dass man sie nicht oft vor das Teleskop bekommt, aber sie kommen eben doch vor. Wenn ein derart schwerer Stern sein Lebensende erreicht, so muss er mit einem unheimlichen Spektakel von der Weltbühne abtreten.
Wie dieses „Feuerwerk“ funktioniert, muss ich leider einem anderen Artikel, vielleicht mal passend zu Silvester, vorbehalten.

All dies legt natürlich nun die Frage nahe, was denn aus einem Sternrest wird, der schwerer als die ChandraSekhar Grenze von 1,44 Sonnenmassen ist. Wenn er nicht zu einem weißen Zwerg werden kann, was wird aus ihm dann…

Der Kollaps eines weißen Zwerges wird durch den Gegendruck, den die elektromagnetische Kraft zwischen negativ geladenen Elektronen und positiv geladenen Protonen, der Gravitation entgegensetzt, aufgehalten. Der Zwerg ist quasi im Gleichgewicht.

Ist die Masse größer, dann wird der Druck, den die heimliche Herrscherin, die Gravitation ausübt einfach zu groß, um von der elektromagnetischen Kraft aufgehalten werden zu können. Ich darf an dieser Stelle nochmals daran erinnern, wie schwach die Gravitation gegen die anderen Kräfte ist. Setzt dieser Kollaps ein, dann werden Elektronen derart gequetscht, dass sie nicht länger als solche existieren können. Sie bilden zusammen mit den Protonen nun Neutronen. Auch dieses war Anfang des 20sten Jahrhunderts schon durch die Kernphysik bekannt. Gemeinsam mit den schon vorher im Sternrest vorhandenen Neutronen besteht er nun nahezu nur noch aus Neutronen. Aus diesem Grunde nennt man diese Objekte Neutronensterne. Diese Neutronen werden nun durch die Gravitation derart aneinander gepresst, dass sie sich quasi berühren. Dann ist der Kollaps erst mal für diesen Stern beendet, wenn seine Masse zwischen 1,44 und etwa 3 Sonnenmassen liegt. Was mit noch schwereren wird, ist Gegenstand unserer letzten Station.

Nun übernimmt die schwache Wechselwirkung zwischen Kernteilchen und verhindert einen weiteren Kollaps.
Man stellt sich das Innere eines Neutronensterns als Neutronenflüssigkeit, auch Neutronium vor. Diese Flüssigkeit ist ungeheuer dicht. ich habe mal in einem Buch gelesen, dass ein Kubikzentimeter dieser Flüssigkeit so viel wiegen soll, wie zehn Millionen Lokomotiven der Deutschen Bundesbahn.

• Die Erde hätte mit ihrer Masse als Neutronenstern lediglich nur noch einen Durchmesser von 130 Metern, etwa ein Hunderttausendstel, wenig mehr, als die Größe eines Fußballfeldes.
• Der Durchmesser unserer Sonne betrüge anstelle von 1,4 Millionen Kilometer als Neutronenstern nur noch vierzehn Kilometer.
• Selbst unser ganzes Universum als Neutronenstern an die Stelle unserer Sonne gepackt, berührte gerade mal nur unsere Erdbahn und wäre so schwer, wie alle Milliarden von Galaxien zusammen.

Wie leer das Universum doch ist.

Man kann sich nun leicht vorstellen, dass Neutronensterne mit normalen Messmethoden nicht beobachtbar sind. Sie sind zu klein und zu weit entfernt. Und doch, weiß man gesichert, dass es sie gibt, man hat sie bewiesen und gefunden. Aus diesem Grunde waren die Neutronensterne zunächst nur eine physikalische Idee, ein Postulat also, oder unwissenschaftlicher ausgedrückt, eine „Voraussage“.

Wir erinnern uns, dass es bei den weißen Zwergen genau umgekehrt war. Sie wurden zuerst indirekt beobachtet, dann gesichtet und schließlich auch erklärt.

Die Idee

Der schweizerische Astronom, Fritz Zwicky, der sehr streitbar gewesen sein soll und obwohl in USA lebend zeit Lebens sein Schweizerdeutsch gesprochen hat, in welchem er urchig fluchte, und der Astronom Walter Baade, ersannen um 1934 die Möglichkeit der Existenz von Neutronensternen. Einige Jahre später konnte dann Robert Oppenheimer, der später den Bau der ersten Atombombe leitete mit einem Studenten die Idee aus kernphysikalischer Sicht untermauern. Den meisten anderen Astronomen erschien diese Idee doch etwas absurd. Sie interessierten sich zunächst nicht dafür, zumal gerade der zweite Weltkrieg angebrochen war. Nichts desto Trotz blieb die Frage, wie man die Theorie der Entstehung von Neutronensternen zum einen, aber dann zum anderen auch ihre Existenz überprüfen konnte, wenn optische Teleskope, die mit Licht arbeiten, ausschieden, weil Neutronensterne so klein und so weit entfernt sind.

Jenseits des Lichts

In Station 6 unserer Reise hörten wir, dass der berühmte Astronom Herschel mit seinem Versuch mit den Thermometern am roten Ende des Spektrums des Sonnenlichtes die wärmende Infrarot-Strahlung entdeckte, und der Physiker Ritter am Violetten die ebenfalls nicht sichtbare Ultraviolett-Strahlung. Wer diese spannende Geschichte nochmals lesen möchte, kann das in Station 6 gerne tun, in welcher es um das Licht ging.

Inzwischen wurden beide Enden des Spektrums erweitert, denn es waren auch schon Radiowellen am roten- und am ultravioletten Ende die Röntgen-Strahlung entdeckt worden.

Die Theorie der Neutronensterne postulierte die Eigenschaft, dass sie an ihrer Oberfläche sehr heiß sein sollten, und zwar so heiß, dass sie nicht mehr hauptsächlich im sichtbaren Licht leuchten, sondern im unsichtbaren Röntgenlicht strahlen würden.
Und das führt uns zu einem weiteren Problem. Ultraviolett- und Röntgenstrahlung wird von der Erdatmosphäre zu unserem Schutz fast vollständig abgeschirmt, so dass es vom Erdboden aus wieder einmal quasi unmöglich sein würde, Neutronensterne anhand ihrer Röntgenstrahlung zu entdecken.

Ihre Entdeckung

Bereits im Jahre 1911 konnte der Physiker Victor Frances Hess mit Messgeräten, die er an Ballone hängte, die hoch hinauf stiegen nachweisen, dass eine energiereiche Strahlung des Kosmos bis zur Erde vordringt. Diese kosmische Strahlung besteht aus sehr schnellen geladenen Teilchen, die mit dem Magnetfeld und der Atmosphäre unser Erde interagieren. Sie ist vermutlich durch Supernovae entstanden, die in unserer Galaxie explodiert sind.

Da diese Strahlung aber aus geladenen Teilchen besteht, so werden diese durch elektromagnetische Felder abgelenkt, so dass man nicht mehr sagen kann, aus welcher Richtung gewisse Teilchen ursprünglich kamen. Somit taugte auch diese Strahlung nicht, um unsere Neutronensterne zu finden. Ähnliches Problem besteht auch bei der 1931 entdeckten aus dem Weltall kommenden Mikrowellenstrahlung. Sie zeigte uns aber, dass Sterne ihre Energie in allen Wellenlängen abstrahlen und dass das nicht nur unsere sonne tut.

Ab 1950 führte man Versuche mit Raketen durch. Die konnten zwar die Strahlungsarten, auch die Röntgenstrahlung messen, hatten aber den Nachteil, dass sie im Gegensatz zu Ballonen zwar höher, aber nicht lange oben bleiben konnten.

Die Situation verbesserte sich erst, als man begann Röntgensatelliten in verschiedene Umlaufbahnen zu schicken. Mit ihnen war erstmals eine Röntgendurchmusterung des Himmels möglich. Man fand tatsächlich sehr viele verschiedene Röntgenquellen am Himmel von denen einige auf Neutronensterne schließen lassen, andere auf schwarze löcher und mehr.

Wie stark die Astrophysiker an den Röntgenquellen interessiert waren, und dass das Thema bis heute eine große Rolle spielt, kann man daran sehen, wie viele derartige Messinstrumente in den letzten Jahrzehnten gebaut und ins Weltall geschossen wurden.
Wer auf der Suchmaschine seines Vertrauens die beiden Begriffe „Röntgensatellit“ und „Wiki“ eingibt, wird umgehend auf eine sehr beeindruckende Liste von Röntgensatelliten geführt.

Es wurde aber noch etwas anderes entdeckt, dass die Existenz von Neutronensternen absolut und unzweifelhaft bestätigte.

Pulsare

Neben seiner ungeheuren Hitze und seiner Dichte sind Neutronensterne meist von ungeheuren Magnetfeldern umgeben. Diese rühren da her, dass ihre Vorläufersterne auch Magnetfelder besaßen. In diesen Magnetfeldern bewegen sich geladene Teilchen. Diese erzeugen vor allem an den Magnetpolen starke Radiowellen.

Die magnetischen Pole eines Pulsars müssen nicht zwangsläufig mit denen der Rotationsachse des Neutronensterns übereinstimmen, wie auch die magnetischen Pole der Erde nicht exakt mit den Polen ihrer Achse übereinstimmen. Steht beispielsweise ein Pulsar in unserer Ebene aufrecht und seine magnetischen Pole um 90 Grad gekippt, dann überstreichen die daraus hervortretenden Radiowellen unsere Richtung. Das können wir auf der Erde mit Radioteleskopen als sehr regelmäßige Radio-Pulse empfangen.
Neutronensterne, die nicht in unsere Richtung „pulsen“ können auch Pulsare sein, aber ihre Pulse verfehlen uns halt immer.

Jocelyn Bell und ihr Doktorvater Antony Hewish entdeckten den ersten Pulsar bei der Suche nach Radioquellen am 28. November 1967 am Mullard Radio Astronomy Observatory bei Cambridge. Für diese Untersuchung wurden in einem breiten Feld sämtliche Quellen erfasst, die binnen kurzer Zeit starke Schwankungen in ihrer Strahlungsintensität aufwiesen. Die Signale des später als PSR B1919+21 bezeichneten Pulsars zeichneten sich durch ungewöhnliche Regelmäßigkeit der abgestrahlten Wellen aus, so dass Bell und Hewish sie zunächst für ein künstliches Signal – eventuell einer extraterrestrischen Zivilisation – hielten (Little Green Man 1).

Antony Hewish wurde 1974 für die Entdeckung der Pulsare mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet.
Der erste Physiker, der gleich nach ihrer Entdeckung hinter Pulsaren rotierende Neutronensterne vermutete, war Thomas Gold 1968/69. Eine Fachkonferenz lehnte jedoch zunächst seinen entsprechenden Vortrag als zu absurd ab und erachtete dies noch nicht einmal als diskussionswürdig. Später wurde seine Meinung aber bestätigt.

Russell Hulse und Joseph H. Taylor Jr. entdeckten 1974 den Pulsar PSR 1913+16, ein System aus zwei einander in weniger als 8 Stunden umkreisenden Neutronensternen, von denen einer ein Pulsar ist. Ihre Bahnperiode verkürzt sich ständig in einer Weise, die nur durch die Abstrahlung von Gravitationswellen gemäß der allgemeinen Relativitätstheorie erklärt werden kann. Die Messung, dass das System sich verlangsamt, durfte als der erste indirekte Nachweis von Gravitationswellen gewertet werden. Alleine stehende Pulsare verlangsamen zwar mit der Zeit ihre Umdrehung auch, aber das geht so langsam vor sich, dass sie genauer pulsen, wie die genauesten Atomuhren, die zur Zeit ihrer Entdeckung zur Verfügung standen.
Die Gravitationswellen, was sie sind und ihr Nachweis werden uns noch in Station10 begegnen.

Hulse und Taylor erhielten dafür 1993 ebenfalls den Nobelpreis für Physik. Bis zum Mai 2006 waren ungefähr 1700 Pulsare bekannt,

PSR B0531+21 im Krebsnebel ist mit einem Alter von etwa 900 Jahren der jüngste bekannte Pulsar.
Im Krebsnebel konnten wir, ohne, dass wir es wussten, quasi der Entstehung eines Neutronensternes, der auch ein Pulsar ist, zusehen.
Wie das?
Der Krebsnebel (seltener Krabbennebel, früher auch Crab-Nebel von englisch Crab Nebula, katalogisiert als M 1 und NGC 1952) im Sternbild Stier ist der Überrest der im Jahr 1054 beobachteten und dokumentierten Supernova. Dort war plötzlich ein Stern erschienen, der dort nicht hin gehörte.
Noch heute sind die Überreste dieser Supernova als Nebel zu sehen. Wegen seiner Struktur und seinem Aussehen, bekam er seinen Namen.
Und auch der Pulsar in seiner Mitte ist gefunden.

Ein in der Entstehung besonderer Pulsar ist der sich auf einer stark elliptischen Umlaufbahn um einen sonnengroßen Stern bewegende PSR J1903+0327, welcher mit 465 Umdrehungen pro Sekunde rotiert.

1982 wurde der erste Millisekundenpulsar mit der Bezeichnung PSR B1937+21 entdeckt. Die Stabilität seiner Rotationsdauer von 1,5578 Millisekunden – nach Berücksichtigung einer linearen Zunahme – ist besser als $10^{−14}$, die Präzision damaliger Atomuhren. Diese Genauigkeit kann für eine präzise Ortsbestimmung der Erde verwendet werden, um dadurch einen weiteren Nachweis für Gravitationswellen zu erbringen.

Das muss man sich mal vorstellen. Da dreht sich ein Körper, der zwischen 1,44 und 3,5 Sonnenmassen besitzt und nur wenige Kilometer durchmesser hat, in wenigen Millisekunden um sich selbst. Kein Material auf der Erde würde diese Fliehkraft überleben und würde zerreißen.
Nun bleibt noch die Frage, wieso sich Neutronensterne überhaupt so rasend schnell um ihre Achse drehen.

Die Eisläuferin

Alle Sterne drehen sich in einer Geschwindigkeit um sich selbst. Unsere Sonne tut dies beispielsweise innerhalb von ungefähr 29 Tagen, was man an der Wanderung von Sonnenflecken beobachtet und gefunden hatte. Kollabiert nun ein Stern zu einem Neutronenstern, so geht ein Großteil des Drehimpulses an ihn über. Es ist, als ob eine Eisläuferin ihre Arme anzieht. Dadurch wird sie dann auch schneller. Geht nun der Drehimpuls eines ausgewachsenen Sternes an einen Neutronenstern über, geschieht mit ihm dasselbe. Er nimmt diesen Drehimpuls auf, und beschläunigt seine Drehgeschwindigkeit auf diese oben genannten unfassbaren Werte.

Damit wollen wir es erst mal mit den Neutronensternen und Pulsaren bewenden lassen, aber eines, das große Finale fehlt noch.

Das Finale

Jetzt, wo wir wissen, dass es Radioprogramm im Kosmos gibt, wollen wir uns das natürlich auch anhören. Ich habe hier mal einige Beispiele zusammenkopiert. …

Und zu guter Letzt muss ich ja nun noch das Rätsel kurz auflösen, wieso es sich bei Neutronensterne um kosmische Quarktaschen handelt.

Kosmische Quarktaschen

Protonen und Neutronen bestehen aus weiteren Teilchen, die man Quarks nennt. Jedes dieser Teilchen besteht aus drei Quarks. Es gibt Up-, Down- Top- Charm-Quarks und noch viele andere.

Lange wurde, und wird von vielen noch immer vermutet, dass im Inneren eines Neutronensternes die Neutronen in ihre Quarks zerfallen sind, am Rande jedoch nicht. In dem Fall wären Neutronensterne Quarktaschen im Universum, extrem runde sogar. Innen Quark und außen Neutronen-Teig.
Es gibt aber momentan etwas Uneinigkeit unter den Physiker. Manche wollen ohne Quark im Inneren von Neutronensterne auskommen, was ich persönlich schade fände, wenn sich das als richtig erweisen sollte, denn Quarktaschen sind läcker und machen sich im Universum einfach super.

Und was Station zehn betrifft, so gibt es dazu nicht viel anzukündigen. Ihr wisst, worum es gehen wird.