Neutronensterne sind die Sternleichen, die zurückbleiben, wenn ein massereicher Stern zur Supernova wird. Sie sind unvorstellbar dicht: Ein Esslöffel Neutronenstern auf der Erdoberfläche würde ungefähr so viel wiegen wie der Mount Everest (während ein Esslöffel Sonne nur etwa 5 Pfund wiegen würde). Und während der Massenbereich von Neutronensternen im Laufe der Jahre relativ gut eingeschränkt wurde, war es schwieriger, genau zu bestimmen, wie breit sie sind. Die meisten Astronomen glauben jedoch, dass die Masse in eine Kugel gepackt ist, die etwa so groß ist wie eine Stadt.

Nun hat eine neue Studie Gravitationswellenmessungen mit anderen Techniken kombiniert, um die bisher besten Einschränkungen für ihre Größe zu ermitteln. Die Schätzung legt nahe, dass ein typischer Neutronenstern etwa 13,7 Meilen breit ist. Diese Größe hat interessante Auswirkungen darauf, was passiert, wenn sie einem anderen der mysteriösesten Objekte des Kosmos zu nahe kommen: Schwarzen Löchern. Die neuen Größenergebnisse deuten darauf hin, dass ein Schwarzes Loch unter vielen Umständen einen Neutronenstern ganz verschlucken kann — und wenig Beweise hinterlässt, die erdgebundene Astronomen mit herkömmlichen Teleskopen aufdecken können.

Wie Neutronensterne entstehen

Massereiche Sterne explodieren, wenn sie ihre für die Kernfusion verwendeten Gase ableiten. Als ein heftiger Materialausbruch in alle Richtungen ausbricht, kondensiert das, was zurückbleibt, zu einem Neutronenstern. Wenn ein Stern massereich genug ist, kann der Rest weiter zu einem Schwarzen Loch kondensieren.

Aber einsame Sterne wie unsere Sonne sind in unserem Universum in der Minderheit. Die meisten Sterne existieren in mehreren Systemen. Und wenn sich zwei große Sterne nebeneinander entwickeln, können diese außerirdischen Sonnensysteme mit zwei Neutronensternen, zwei Schwarzen Löchern oder jeweils einem enden. In den letzten Jahren haben Astronomen begonnen, diese Systeme dank der Gravitationswellen zu entdecken, die herausgeworfen werden, wenn sie sich ineinander drehen. So haben Astronomen kürzlich eine extrem genaue Messung der Größe eines Neutronensterns durchgeführt.

Im Jahr 2017 nahmen das Laserinterferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) in den USA und der Virgo-Detektor in Italien ein Gravitationswellensignal auf, das darauf hindeutete, dass zwei Neutronensterne etwa 120 Millionen Lichtjahre entfernt kollidiert waren. Bald darauf begannen traditionelle Observatorien, die Kollision in elektromagnetischen Wellenlängen zu sehen. Diese Entdeckungen brachten beispiellose Einblicke in die Masse und den Spin der Objekte.

Neutronensterngröße

Ein Team um Forscher des Albert-Einstein-Instituts (AEI) in Deutschland hat diese Beobachtungen mit Modellen kombiniert, wie sich subatomare Teilchen unter den extrem dichten Bedingungen in Neutronensternen verhalten. Während es unmöglich ist, solche Bedingungen in Labors auf der Erde nachzubilden, zeigten die Physiker, dass sie die bestehende Theorie nutzen könnten, um ihre Berechnungen von den kleinsten Skalen auf das zu extrapolieren, was in fernen Neutronensternen passiert.Ihre Ergebnisse deuten darauf hin, dass Neutronensterne zwischen 13 und 15 Meilen breit sein müssen. Und ein typischer Neutronenstern sollte etwa 13,7 Meilen breit sein. Die Schätzungen beschränken die Größe von Neutronensternen stärker als frühere Studien. „Neutronensterne enthalten die dichteste Materie im beobachtbaren Universum“, sagte AEI-Forscher und Studienautor Collin Capano in einer Medienmitteilung. „Tatsächlich sind sie so dicht und kompakt, dass man sich den gesamten Stern als einen einzigen Atomkern vorstellen kann, der auf die Größe einer Stadt skaliert ist. Durch die Messung der Eigenschaften dieser Objekte lernen wir die grundlegende Physik kennen, die Materie auf subatomarer Ebene regelt.“

Von einem Schwarzen Loch verschluckt

Dieser winzige Durchmesser ist klein genug, dass ein Neutronenstern, der zusammen mit einem Schwarzen Loch umkreist, sogar vollständig verschluckt werden könnte, wenn er zu nahe kommt. Astronomen haben eifrig nach Kollisionen zwischen Schwarzen Löchern und Neutronensternen gesucht. Sie erwarteten, dass diese Verschmelzungen starke elektromagnetische Strahlung aussenden würden – die Art von Licht, die von typischen Observatorien auf der Erde sichtbar ist. Wenn der Neutronenstern jedoch nicht geschreddert wird, wenn die beiden verschmelzen, würde laut der neuen Studie kein Licht emittiert, das erdgebundene Teleskope erkennen könnten. Gleichzeitig würden Gravitationswellendetektoren wahrscheinlich auch nicht in der Lage sein, den Unterschied zwischen verschmelzenden Schwarzen Löchern und einer gemischten Fusion zu erkennen. „Wir haben gezeigt, dass der Neutronenstern in fast allen Fällen nicht vom Schwarzen Loch zerrissen wird, sondern ganz verschluckt wird“, sagte Capano. „Nur wenn das Schwarze Loch sehr klein ist oder sich schnell dreht, kann es den Neutronenstern stören, bevor es ihn verschluckt; und nur dann können wir erwarten, etwas anderes als Gravitationswellen zu sehen.“Astronomen sollten nicht zu lange warten müssen, um herauszufinden, ob diese Idee richtig ist. Die Gravitationsdetektoren der Welt werden in den kommenden Jahren immer leistungsfähiger. Wenn sich Neutronenstern-Schwarzes-Loch-Kollisionen als seltener erweisen als erwartet, werden sie zumindest wissen, warum.

Die Ergebnisse wurden am 9. März in der Zeitschrift Nature Astronomy veröffentlicht.