Die Oberflächenmuster für verschiedene Torsionsmoden. Bildnachweis: Max Planck. klicken um zu vergrößern
Eine massive Explosion auf der Oberfläche eines Neutronensterns gab Astronomen die Möglichkeit, in seine Oberfläche zu blicken, ähnlich wie Geologen die Struktur der Erde unter unseren Füßen verstehen. Die Explosion erschütterte den Neutronenstern und ließ ihn wie eine Glocke läuten. Die Schwingungen durchquerten dann Schichten unterschiedlicher Dichte – matschig oder fest – und veränderten die abströmende Röntgenstrahlung. Astronomen berechneten, dass es eine dickere Kruste mit einer Tiefe von etwa 1,6 km (1 Meile) hat, was mit theoretischen Schätzungen übereinstimmt.
Ein amerikanisch-deutsches Team von Wissenschaftlern des Max-Planck-Instituts für Astrophysik und der NASA hat den Rossi X-ray Timing Explorer der NASA verwendet, um die Tiefe der Kruste auf einem Neutronenstern, dem dichtesten bekannten Objekt im Universum, abzuschätzen. Die Kruste sei etwa 1,6 Kilometer tief und so dicht gepackt, dass ein Teelöffel dieses Materials auf der Erde etwa 10 Millionen Tonnen wiegen würde.
Diese Messung, die erste ihrer Art, erfolgte im Dezember 2004 durch eine massive Explosion auf einem Neutronenstern. Die Vibrationen der Explosion enthüllten Details über die Zusammensetzung des Sterns. Die Technik ist analog zur Seismologie, der Untersuchung von seismischen Wellen von Erdbeben und Explosionen, die die Struktur der Erdkruste und des Erdinneren aufdecken.
Diese neue Seismologie-Technik bietet eine Möglichkeit, das Innere eines Neutronensterns zu untersuchen, ein Ort großer Mysterien und Spekulationen. Druck und Dichte sind hier so stark, dass der Kern exotische Teilchen beherbergen könnte, von denen man annimmt, dass sie nur im Moment des Urknalls existierten.
Dr. Anna Watts vom Max-Planck-Institut für Astrophysik in Garching führte diese Forschung in Zusammenarbeit mit Dr. Tod Strohmayer vom Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt, Maryland, durch.
„Wir glauben, dass diese Explosion, die größte ihrer Art, die jemals beobachtet wurde, den Stern wirklich erschütterte und ihn buchstäblich wie eine Glocke zum Klingeln brachte“, sagte Strohmayer. „Die bei der Explosion erzeugten Vibrationen geben, obwohl schwach, sehr konkrete Hinweise darauf, woraus diese bizarren Objekte bestehen. Wie bei einer Glocke hängt der Ring eines Neutronensterns davon ab, wie Wellen durch Schichten unterschiedlicher Dichte hindurchtreten, entweder matschig oder fest.“
Ein Neutronenstern ist der Kernrest eines Sterns, der einmal massereicher ist als die Sonne. Ein Neutronenstern enthält etwa 1,4 Sonnenmassen Material, das in eine Kugel von nur etwa 20 Kilometern Durchmesser gepfercht ist. Die beiden Wissenschaftler untersuchten einen Neutronenstern namens SGR 1806-20, der sich etwa 40.000 Lichtjahre von der Erde entfernt im Sternbild Schütze befindet. Das Objekt gehört zu einer Unterklasse hochmagnetischer Neutronensterne, die Magnetare genannt werden.
Am 27. Dezember 2004 erlebte die Oberfläche von SGR 1806-20 eine beispiellose Explosion, das hellste Ereignis, das je von außerhalb unseres Sonnensystems gesehen wurde. Die als Hyperflare bezeichnete Explosion wurde durch eine plötzliche Änderung des starken Magnetfelds des Sterns verursacht, die die Kruste aufbrach und wahrscheinlich ein massives Sternenbeben verursachte. Das Ereignis wurde von vielen Weltraumobservatorien entdeckt, darunter der Rossi Explorer, der das emittierte Röntgenlicht beobachtete.
Strohmayer und Watts glauben, dass die Schwingungen ein Beweis für globale Torsionsschwingungen in der Kruste des Sterns sind. Diese Schwingungen sind analog zu den S-Wellen, die während terrestrischer Erdbeben beobachtet werden, wie eine Welle, die sich durch ein Seil bewegt. Ihre Studie, die auf Beobachtungen von Schwingungen aus dieser Quelle von Dr. GianLuca Israel vom italienischen Nationalen Institut für Astrophysik aufbaut, fand mehrere neue Frequenzen während des Hyperflares.
Watts und Strohmayer bestätigten anschließend ihre Messungen mit dem Ramaty High Energy Solar Spectroscopic Imager der NASA, einem Sonnenobservatorium, das auch den Hyperflare aufzeichnete, und fanden den ersten Beweis für eine hochfrequente Schwingung bei 625 Hz, die auf Wellen hindeutet, die die Kruste vertikal durchqueren.
Die Häufigkeit der Frequenzen – ähnlich einem Akkord im Gegensatz zu einer einzelnen Note – ermöglichte es den Wissenschaftlern, die Tiefe der Neutronensternkruste abzuschätzen. Dies basiert auf einem Vergleich der Frequenzen von Wellen, die sich um die Kruste des Sterns bewegen, und denen, die sich radial durch sie hindurch bewegen. Der Durchmesser eines Neutronensterns ist ungewiss, aber nach Schätzungen von etwa 20 Kilometern Durchmesser wäre die Kruste etwa 1,6 Kilometer tief. Diese Zahl, basierend auf den beobachteten Häufigkeiten, entspricht theoretischen Schätzungen.
Die Starquake-Seismologie ist vielversprechend, um viele Eigenschaften von Neutronensternen zu bestimmen. Strohmayer und Watts haben archivierte Rossi-Daten eines schwächeren Magnetar-Hyperflares von 1998 (aus SGR 1900+14) analysiert und auch hier verräterische Schwingungen gefunden, wenn auch nicht stark genug, um die Krustendicke zu bestimmen.
Eine größere Neutronensternexplosion, die in Röntgenstrahlen entdeckt wurde, könnte tiefere Geheimnisse enthüllen, wie zum Beispiel die Natur der Materie im Kern des Sterns. Eine spannende Möglichkeit ist, dass der Kern freie Quarks enthalten könnte. Quarks sind die Bausteine von Protonen und Neutronen und unter normalen Bedingungen immer fest miteinander verbunden. Die Suche nach Beweisen für freie Quarks würde helfen, die wahre Natur von Materie und Energie zu verstehen. Labore auf der Erde, einschließlich massiver Teilchenbeschleuniger, können nicht die Energie erzeugen, die benötigt wird, um freie Quarks aufzudecken.
„Neutronensterne sind großartige Labors für das Studium der Extremphysik“, sagte Watts. „Wir würden gerne einen aufbrechen können, aber da das wahrscheinlich nicht passieren wird, ist es vielleicht das nächstbeste, die Auswirkungen eines Magnetar-Hyperflares auf einen Neutronenstern zu beobachten.“
Originalquelle: Max-Planck-Gesellschaft