In der Kruste von Neutronensternen gibt es nukleare Pasta; die härteste bekannte Substanz im Universum

Seit ihrer Entdeckung in den 1930er Jahren rätseln Wissenschaftler über das Mysterium der Neutronensterne. Diese Sterne, die das Ergebnis einer Supernova-Explosion sind, sind die kleinsten und dichtesten Sterne im Universum. Während sie normalerweise einen Radius von etwa 10 km (6,2 mi) haben – etwa 1,437 x 10^-5mal so hoch wie die der Sonne – sie durchschnittlich auch zwischen 1,4 und 2,16 Sonnenmassen.

Bei dieser Dichte, die der von Atomkernen entspricht, würde ein einzelner Teelöffel Neutronensternmaterial etwa 90 Millionen Tonnen wiegen. Und jetzt hat ein Wissenschaftlerteam eine Studie durchgeführt, die darauf hindeutet, dass das stärkste bekannte Material im Universum – was sie als „nukleare Teigwaren“ bezeichnen – tief in der Kruste von Neutronensternen existiert.

Die Studie mit dem Titel „ Elastizität von Nuklearnudeln “, wurde kürzlich von der . zur Veröffentlichung angenommenPhysische Überprüfungsbriefe.Die Studie wurde von Matt Caplan, Postdoctoral Fellow an der McGill Weltrauminstitut (MSI) und umfassten Mitglieder des California Institute of Technology's Walter Burke Institut für Theoretische Physik und der Indiana University Zentrum für Kerntheorie .

Querschnitt eines Neutronensterns. Quelle: Wikipedia Commons/Robert Schulze

Im Vergleich zu anderen Sternenklassen (mit Ausnahme der hypothetischen Quarksterne und der Strange Stars) sind Neutronensterne eher einzigartig. Aufgrund ihrer starken Gravitation (die dazu führt, dass ihre äußeren Schichten gefrieren) sind Neutronensterne der Erde ähnlich, da sie eine feste Kruste haben, die einen flüssigen inneren Kern umgibt. Unterhalb der Kruste führt die hohe Dichte zur Bildung von Material mit einer seltsamen Struktur.

Kurz gesagt, konkurrierende Kräfte zwischen den Protonen und Neutronen innerhalb eines Neutronensterns führen dazu, dass sich das Material zu seltsamen Formen zusammenfügt, wie etwa langen Zylindern oder flachen Ebenen, die allgemein als „Lasagne“ und „Spaghetti“ bezeichnet werden – daher der Spitzname „Kernnudeln“. Obwohl es sich um ein faszinierendes Studienfach handelt, hat man über dieses Material oder seine mysteriösen Strukturen nicht viel gelernt.

Als Caplan angegeben In einer aktuellen Pressemitteilung von McGill heißt es: „Die Stärke der Neutronensternkruste, insbesondere des Bodens der Kruste, ist für viele astrophysikalische Probleme relevant, wird aber nicht gut verstanden.“

Um dies zu beleuchten, führten Caplan und seine Kollegen erfolgreich die größten Computersimulationen durch, die jemals von Neutronensternkrusten durchgeführt wurden, und ihre Studie war die erste, die beschrieb, wie diese Krusten brechen. Diese Simulationen, bei denen Caplan und sein Team die Nuklearnudeln dehnen und verformen, um ihre Festigkeit zu testen, erforderten ungefähr 2 Millionen Stunden Prozessorzeit.

Künstlerische Darstellung der „nuklearen Pasta“ eines Neutronensterns, dem stärksten bekannten Material im Universum. Bildnachweis: University of McGill/MSI

Daraus stellten sie fest, dass ihre einzigartigen Formen in Kombination mit der extremen Dichte im Inneren von Neutronensternen nukleare Pasta unglaublich steif machen. Tatsächlich stellt seine Stärke sogar Materialien wie Graphen und Kohlenstoff-Nanoröhrchen in den Schatten. Diese Informationen könnten Astronomen helfen, ihre Beobachtungen von Neutronensternen zu verstehen.

Und angesichts des Kilonova-Ereignisses im letzten Jahr, bei dem zwei Neutronensterne kollidierten, könnten diese Ergebnisse auch Astrophysikern bei der Erforschung von Gravitationswellen helfen. Die Studie legt sogar nahe, dass Neutronensterne selbst kleine Mengen an Gravitationswellen erzeugen könnten. Als Caplan angegeben , die mehr darüber wissen, wie sich Materialien in einem Neutronenstern verhalten, können Wissenschaftler möglicherweise neues Licht auf die ungewöhnliche Physik werfen, die in ihnen abläuft:

„Hier findet viel interessante Physik unter extremen Bedingungen statt. Daher ist das Verständnis der physikalischen Eigenschaften eines Neutronensterns eine Möglichkeit für Wissenschaftler, ihre Theorien und Modelle zu testen. Mit diesem Ergebnis müssen viele Probleme erneut untersucht werden. Wie groß kann ein Berg auf einem Neutronenstern gebaut werden, bevor die Kruste bricht und er kollabiert? Wie wird es aussehen? Und vor allem, wie können Astronomen es beobachten?“

Die Fähigkeit, das Innere von Neutronensternen und Supernovae zu studieren und zu modellieren – ganz zu schweigen von der Fähigkeit, Gravitationswellen zu erkennen – sind Teil des sprunghaften Fortschritts der Astronomie.

Weiterlesen: McGill , Physische Überprüfungsschreiben