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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 gingen dann durch Schichten unterschiedlicher Dichte - matschig oder fest - und veränderten die abstrahlenden Röntgenstrahlen. Astronomen errechneten eine dickere Kruste mit einer Tiefe von etwa 1,6 km (1 Meile), was den theoretischen Schätzungen entspricht.
Ein US-deutsches Wissenschaftlerteam des Max-Planck-Instituts für Astrophysik und der NASA hat mit dem Rossi-Röntgen-Timing-Explorer der NASA die Tiefe der Kruste auf einem Neutronenstern, dem dichtesten bekannten Objekt im Universum, abgeschätzt. 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, wurde mit freundlicher Genehmigung einer massiven Explosion an einem Neutronenstern im Dezember 2004 durchgeführt. Die Vibrationen der Explosion enthüllten Details über die Zusammensetzung des Sterns. Die Technik ist analog zur Seismologie, der Untersuchung seismischer Wellen von Erdbeben und Explosionen, die die Struktur der Erdkruste und des Erdinneren offenbaren.
Diese neue seismologische Technik bietet eine Möglichkeit, das Innere eines Neutronensterns zu untersuchen, ein Ort großer Geheimnisse und Spekulationen. Druck und Dichte sind hier so stark, dass der Kern möglicherweise exotische Partikel enthält, von denen angenommen wird, dass sie nur im Moment des Urknalls existieren.
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 buchstäblich wie eine Glocke läutete", sagte Strohmayer. „Die bei der Explosion erzeugten Vibrationen sind zwar schwach, liefern jedoch sehr spezifische Hinweise darauf, woraus diese bizarren Objekte bestehen. Wie eine Glocke hängt der Ring eines Neutronensterns davon ab, wie Wellen durch Schichten unterschiedlicher Dichte laufen, entweder matschig oder fest. "
Ein Neutronenstern ist der Kern eines Sterns, der mehrmals so massereich ist wie die Sonne. Ein Neutronenstern enthält etwa 1,4 Sonnenmassen an Material, die in einer Kugel mit einem Durchmesser von nur etwa 20 Kilometern zusammengepfercht sind. Die beiden Wissenschaftler untersuchten einen Neutronenstern namens SGR 1806-20, der sich im Sternbild Schütze etwa 40.000 Lichtjahre von der Erde entfernt befindet. Das Objekt befindet sich in einer Unterklasse hochmagnetischer Neutronensterne, die als Magnetare bezeichnet werden.
Am 27. Dezember 2004 erlebte die Oberfläche von SGR 1806-20 eine beispiellose Explosion, das hellste Ereignis, das jemals von außerhalb unseres Sonnensystems gesehen wurde. Die Explosion, Hyperflare genannt, wurde durch eine plötzliche Änderung des starken Magnetfelds des Sterns verursacht, die die Kruste knackte und wahrscheinlich ein massives Sternenbeben verursachte. Das Ereignis wurde von vielen Weltraumobservatorien entdeckt, einschließlich des 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 bei Erdbeben auf der Erde 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 während des Hyperflares mehrere neue Frequenzen.
Watts und Strohmayer bestätigten anschließend ihre Messungen mit dem Ramaty High Energy Solar Spectroscopic Imager der NASA, einem Solarobservatorium, das auch die Hyperfackel aufzeichnete, und fanden erste Hinweise auf eine hochfrequente Schwingung bei 625 Hz, die auf Wellen hinweist, die die Kruste vertikal durchqueren.
Die Fülle 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 von Wellen, die sich radial durch ihn bewegen. Der Durchmesser eines Neutronensterns ist ungewiss, aber basierend auf der Schätzung von etwa 20 Kilometern Durchmesser wäre die Kruste etwa 1,6 Kilometer tief. Diese Zahl, basierend auf den beobachteten Frequenzen, entspricht theoretischen Schätzungen.
Die Starquake-Seismologie ist vielversprechend für die Bestimmung vieler Neutronenstern-Eigenschaften. Strohmayer und Watts haben archivierte Rossi-Daten einer schwächeren magnetischen Hyperflare von 1998 (ab SGR 1900 + 14) analysiert und auch hier verräterische Schwingungen festgestellt, die jedoch nicht stark genug sind, um die Krustenstärke zu bestimmen.
Eine größere Neutronenstern-Explosion, die in Röntgenstrahlen entdeckt wurde, könnte tiefere Geheimnisse enthüllen, wie beispielsweise die Natur der Materie im Kern des Sterns. Eine aufregende Möglichkeit ist, dass der Kern freie Quarks enthält. Quarks sind die Bausteine von Protonen und Neutronen und unter normalen Bedingungen immer eng miteinander verbunden. Das Finden von Beweisen für freie Quarks würde helfen, die wahre Natur von Materie und Energie zu verstehen. Laboratorien auf der Erde, einschließlich massiver Teilchenbeschleuniger, können nicht die Energien erzeugen, die erforderlich sind, um freie Quarks freizulegen.
"Neutronensterne sind großartige Laboratorien für das Studium der extremen Physik", sagte Watts. "Wir würden gerne in der Lage sein, einen aufzubrechen, aber da dies wahrscheinlich nicht passieren wird, ist es vielleicht das nächstbeste, die Auswirkungen eines magnetischen Hyperflares auf einen Neutronenstern zu beobachten."
Ursprüngliche Quelle: Max-Planck-Gesellschaft
