Exotisches Schwergewicht: Astronomen haben erstmals die Masse eines gut 3.000 Lichtjahre entfernten Pulsars gemessen – und Überraschendes entdeckt. Denn der Sternenrest ist 2,35 Sonnenmassen schwer – und damit der bisher schwerste und dichteste Neutronenstern der Milchstraße. Würde dieser Pulsar nicht extrem schnell rotieren, wäre er längst zum Schwarzen Loch kollabiert. Sein große Masse könnte der Neutronenstern seinem Begleitstern verdanken, dem er Materie abgezogen hat.
Neutronensterne entstehen, wenn ein massereicher Stern am Ende seines Lebenszyklus explodiert und sein Kern kollabiert. Je nach Masse ist das Resultat dann ein Schwarzes Loch oder ein Neutronenstern – ein 20 bis 30 Kilometer kleines, aber extrem dichtes Objekt. In ihm ist die Materie so stark komprimiert, dass Atome sich auflösen. Gängigen Modellen zufolge kann ein solcher Neutronenstern ohne Rotation maximal 2,16 Sonnenmassen schwer werden, mit Rotation können es rund 20 Prozent mehr sein.
Wo genau die Massen-Obergrenze für schnell rotierende Neutronensterne wie die Millisekunden-Pulsare liegt, ist jedoch noch unklar.
„Schwarze Witwe“ auf der Waage
Jetzt haben Astronomen um Roger Romani von der Stanford University den schnellsten bekannten Neutronenstern der Milchstraße erstmals auf die Waage gelegt. Der 2017 entdeckte Pulsar PSR J0952-0607 dreht sich 42.000 Mal pro Minute um seine eigene Achse und sendet dabei starke Radio- und Gammastrahlung aus. Er ist zudem eine „Schwarze Witwe„: Er wird von einem nur noch rund 20 Jupitermassen schweren Begleitstern umkreist, den er im Laufe der Zeit fast vollständig erodiert und zerstört hat.
Um die Masse dieses Pulsars zu bestimmen, haben die Forschenden das ungleiche Paar wiederholt mit dem Zehn-Meter-Teleskop des Keck-Observatoriums in Hawaii ins Visier genommen. Mithilfe eines hochauflösenden Spektrografen beobachteten sie winzige Schwankungen im Lichtspektrum des Begleitsterns. Diese verrieten ihnen, wie sich dieser Stern bewegt, aber auch, welchen Schwerkrafteinfluss der Neutronenstern auf ihn hat. Daraus konnten sie die Masse des Pulsars bestimmen.
So schwer und dicht wie kein anderer
Das Ergebnis: Der Pulsar PSR J0952-0607 ist rund 2,35 Sonnenmassen schwer. Er liegt damit wahrscheinlich nahe an der absoluten Obergrenze für Neutronensterne und ist der bisher schwerste bekannte Neutronenstern der Milchstraße, wie die Astronomen berichten. „Wir werden nach weiteren Schwarzen Witwen und ähnlichen Neutronensternen suchen, die sich noch näher an der Grenze zum Schwarzen Loch bewegen“, sagt Romani. „Aber wenn wir keine finden, stärkt dies das Argument, dass gut 2,3 Sonnenmassen die absolute Obergrenze ist.“
Doch dieser Pulsar war nicht immer so schwer. Romani und seine Kollegen gehen davon aus, dass auch dieser Neutronenstern bei der für solche Sternenreste typischen Masse von rund einem bis eineinhalb Sonnenmassen angefangen hat. Weil er dann aber im Laufe der Zeit immer mehr Material von seinem Begleitstern abgezogen hat, wurde er immer schwerer. „Aus unseren Daten schließen wir, dass PSR J0952-0607 mindestens 0,5 Sonnenmassen, wahrscheinlicher eine Sonnenmasse durch Akkretion hinzugewonnen hat“, berichten die Astronomen.
Fluid aus Quarks und Neutronen
Interessant ist die Massenbestimmung dieses Pulsars aber auch, weil sie verraten kann, wie es im Inneren von Neutronensternen aussieht. Denn die Materie in diesem Sternenrest ist so stark komprimiert, dass er wahrscheinlich auch das dichteste sichtbare Himmelsobjekt ist – nur Schwarze Löcher sind noch dichter. Gängigen Modellen nach ist der Druck im Inneren der Neutronensterne so hoch, dass Elektronen in den Atomkern gedrückt werden, mit den Protonen verschmelzen und zu Neutronen werden.
Die Neutronen im Inneren des Neutronensterns zerfallen teilweise in ihre Grundbestandteile, die Up- und Down-Quarks, zusammen bilden die Teilchen eine superfluide Mischung aus Neutronen und Quarks. Bisher ist allerdings unklar, ob im Zentrum der Sternenreste vielleicht noch exotischere Teilchen existieren, darunter Strange-Quarks oder die aus ihnen zusammengesetzten Kaonen. Weil deren Entstehung von den Bedingungen im Inneren abhängt, kann die Bestimmung der Massenobergrenze für Neutronensterne verraten, ob es diese Teilchen dort geben kann.
Nach Ansicht von Romani und seine Kollegen spricht die nun von ihnen ermittelte Masse des Pulsars eher gegen solche exotischen Mischungen. „Eine hohe Maximalmasse für Neutronensterne deutet darauf hin, dass die Mischung aus Neutroen und Up- und Down-Quarks bis ins Zentrum reicht“, erklärt Romani. „Das schließt viele in einigen Modellen vorgeschlagene exotischere Zustände der Materie aus.“ (The Astrophysical Journal Letters, in press; arXiv:2207.05124)
Quelle: University of California Berkeley, W. M. Keck Observatory
