Neutronensterne

Ein Neutronenstern ist ein Stern mit etwa der Masse der Sonne und einem Durchmesser von nur 20 Kilometern. Neutronensterne sind die kompakten Überreste von Supernovaexplosionen massereicher Sterne. Sie entstehen aus dem kollabierenden Eisenkern dieser Sterne, wenn das nukleare Feuer im Innern der Sterne erloschen ist. Die Materie in Neutronensternen besteht hauptsächlich aus Neutronen, die aufgrund der gewaltigen Gravitation dichter gepackt sind als in Atomkernen.

Stärker als bis auf ihren Schwarzschildradius komprimierte Materie bildet ein Schwarzes Loch. Für Materie, die so stark komprimiert wird, daß ihr Radius kleiner als ihr "Schwarzschildradius'' oder "Ereignishorizont'' wird, sagt die Einsteinsche Allgemeine Relativitätstheorie voraus, daß sie sich von der Außenwelt völlig abkoppelt und ein Schwarzes Loch bildet, d.h. nichts, nicht einmal Licht, kann dieses Gebiet mehr verlassen und in die Umgebung gelangen. Der Schwarzschildradius der Sonne ist zirka drei Kilometer, aber natürlich ist die Sonne ein ganz normaler Stern und als solcher viel größer als ihr Schwarzschildradius. Die Beobachtung liefert starke Hinweise, daß sich sehr massereiche Schwarze Löcher in den Zentren der meisten Galaxien befinden könnten, und stellare Schwarze Löcher werden in einigen Röntgendoppelsternen in der Milchstraße vermutet.

Gravitationswellen sind Wellen der Raumzeit, die sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten und gemäß der Einsteinschen Allgemeinen Relativitätstheorie durch bewegte Massen oder Energie verursacht werden. Gewaltige Massen und Energien und sehr schnelle Bewegungen sind notwendig, um Gravitationswellen von meßbarer Stärke zu erzeugen. Gegenwärtig werden in Europa, den USA und Japan riesige Experimente gebaut (GEO600, VIRGO, LIGO, TAMA), die nach Gravitationswellen von Supernovaexplosionen und Neutronensternverschmelzungen in fernen Galaxien Ausschau halten sollen. Das Bild links zeigt eine Aufnahme von LIGO. Die Schenkel der L-förmigen Anlage haben eine Länge von 4km.

A. Einstein entwickelte im Jahr 1915 die Allgemeine Relativitätstheorie, eine geometrische Theorie zur Beschreibung der Gravitation mittels der Krümmung der Raumzeit. In der aufgrund der Anwesenheit von Masse oder Energie gekrümmten Raumzeit bewegen sich Teilchen und Licht anders als im flachen Raum. Große Abweichungen vom Newtonschen Gravitationsgesetz spielen insbesondere in der unmittelbaren Nähe von kompakten astrophysikalischen Objekten wie Neutronensternen und Schwarzen Löchern eine Rolle. Die Vorhersagen der Allgemeinen Relativitätstheorie konnten durch zahlreiche Tests bestätigt werden, z.B. durch die Messung der Lichtablenkung von Hintergrundsternen nahe der Sonne, die Rotverschiebung von Licht, das sich im Gravitationsfeld der Erde aufwärts bewegt oder die Periheldrehung der Merkurbahn um die Sonne.

Ein Neutrino ist ein Elementarteilchen, dessen Existenz von W. Pauli im Jahr 1930 postuliert wurde, um die Energieerhaltung bei Kernreaktionen zu gewährleisten. Der direkte experimentelle Nachweis hat rund 30 Jahre auf sich warten lassen. Neutrinos gibt es in drei unterschiedlichen "Flavours'' (flavour, engl.: Geschmack). Sie sind ladungsneutral, haben eine Masse, die wahrscheinlich mehr als hunderttausendmal kleiner als die des Elektrons ist, und wechselwirken mit Materie äußerst schwach. In astrophysikalischen Objekten entstehen sie in Kern- und Teilchenprozessen bei extremen Dichten und Temperaturen, zum Beispiel im frühen Universum, im Zentrum von Sternen und in Supernovaexplosionen.

Kosmische Gammablitze sind extrem energiereiche Ausbrüche hochenergetischer Strahlung, die Bruchteile einer Sekunde, aber auch viele Minuten dauern können. Sie wurden Ende der sechziger Jahre von US Satelliten entdeckt. Ihre Herkunft ist immer noch eines der größten Rätsel der modernen Astronomie. Das COMPTON Gammastrahlenobservatorium umkeist die Erde zur Erforschung der Gammablitze. Es registriert einen bis zwei dieser Blitze pro Tag.

Doppelneutronensterne sind Quellen von Gravitationswellen. Nach der Allgemeinen Relativitätstheorie schrumpft daher ihr Bahnabstand ständig. Es vergehen jedoch Hunderte von Jahrmillionen bis sie sich auf wenige Kilometer angenähert haben. Sie umkreisen sich dann mit rund 20% der Lichtgeschwindigkeit. In nur einer tausendstel Sekunde verschmelzen sie miteinander. Diese Computersimulation zeigt, wie sich die Neutronensterne dabei auf mehr als 100 Milliarden Grad Celsius erhitzen. Rot bedeutet kühles Gas, während Gelb, Grün, Blau und Weiß heißer sind. Kurz nach der Verschmelzung fällt der Überrest zu einem Schwarzen Loch zusammen. In Bruchteilen einer Sekunde verschlingt dieses Schwarze Loch die umgebende Gaswolke. Dabei werden gewaltige Energiemengen in Form von Neutrinos frei. Einmal in hundertausend Jahren stößt in unserer Milchstraße ein Neutronenstern mit einem begleitenden Schwarzen Loch zusammen. Bei solch einer kosmischen Katastrophe wird der Neutronenstern durch Gravitationskräfte zerrissen. Erhitztes Gas stürzt auf Spiralbahnen ins Schwarze Loch. Die abgestrahlten Neutrinos erzeugen einen gewaltigen Blitz von Gammastrahlung. Die folgende Animation zeigt eine künstlerische Darstellung dieses gigantischen Feuerwerks. Die freigesetzte Energie ist so riesig, daß der Gammablitz im gesamten Universum sichtbar ist. Jeden Tag entdecken Satelliten einen oder zwei solcher Blitze. Optische Strahlung kann als "Nachglühen" über mehrere Tage mit großen Teleskopen beobachtet werden. Das Licht stammt aus fernen Galaxien, Milliarden von Lichtjahren von der Erde entfernt.