gov-civil-vilareal.ptDer höchste Berg auf einem Neutronenstern kann einen Bruchteil eines Millimeters groß sein
>Der höchste Berg der Erde – gemessen von seiner Basis bis zu seinem Gipfel – ist der Vulkan Mauna Kea mit einer Höhe von 10.200 Metern.
Auf einem Neutronenstern wäre der höchste Berg a Millimeter hoch. Vielleicht bis zu einem Zentimeter.
Das ist laut neuer Forschung fertig mit dem Betrachten, wie diese winzigen, aber lächerlich mächtigen Objekte funktionieren. Es mag ein wenig esoterisch erscheinen, sich zu fragen, wie hoch ein Berg auf dem ultrakompakten Überrest eines massereichen Sternkerns sein kann, aber es stellt sich heraus, dass es einige ziemlich wichtige Auswirkungen auf die Astronomie hat.
Neutronensterne entstehen, wenn Sterne mit der 8- bis 20-fachen Masse der Sonne ihr Leben beenden. Die äußeren Schichten des Sterns explodieren als Supernova nach außen, aber der Kern kollabiert nach unten. Der Kern hat einen Durchmesser von Hunderttausenden von Kilometern, zieht sich aber zu einer Kugel von weniger als 30 Kilometern Breite zusammen. Alle Protonen und Elektronen in den atomaren Elementen im Kern (plus Antineutrinos, wenn Sie die Punktzahl behalten) verbinden sich zu Neutronen und erzeugen einen Neutronenstern.
Sie sind unglaublich, fast unangemessen dicht, mit bis zu hundert Millionen Tonnen verpackt in jedem Kubikzentimeter Material (namens Neutronium ). Dadurch wird ihre Oberflächenschwerkraft zerkleinert, etwa eine Milliarde Mal höher als die der Erde.
ZU Milliarde . Auf einem Neutronenstern würde ich so viel wiegen wie ein kleiner Berg.
Ein Neutronenstern ist unglaublich klein und dicht und packt die Masse der Sonne zu einer Kugel von nur wenigen Kilometern Durchmesser. Dieses Kunstwerk zeigt einen im Vergleich zu Manhattan. Kredit: Goddard Space Flight Center der NASA
Aber ich wäre bei weitem nicht so groß. Die Schwerkraft ist so stark, dass alles, was sich anhäufen will, zerschmettert wird. Das gilt auch auf der Erde: Berge können nur so hoch werden, bis sie durch ihr Eigengewicht zusammensacken; der Stoff oben drückt auf den Stoff darunter, der dann wegfließt. Deshalb bestehen hohe Berge aus hartem Gestein. Versuchen Sie, einen aus Schlamm zu machen, und er wird nicht sehr hoch, bevor er zusammenbricht.
Dieses Problem ist bei einem Neutronenstern milliardenfach schlimmer. Ein weiteres Problem ist, dass ein Berg durch die darunter liegende Kruste gestützt werden muss. Die Erdkruste kann nur so viel Gewicht aufnehmen, bis sie sich durch den Druck verformt, was auch die Größe der Berge begrenzt.
Ein Neutronenstern hat auch eine Materialkruste, und sie ist viel stärker als die der Erde. Aber mit der hundertmilliardenfachen Abwärtskraft kann selbst eine Neutronensternkruste nur eine begrenzte Menge aushalten.
Wie viel?
Kunstwerk, das das Magnetfeld zeigt, das einen Neutronenstern umgibt. Kredit: Casey Reed / Penn State University
Dieses Problem wird seit einigen Jahrzehnten von Wissenschaftlern angegangen, aber es ist schwierig. Zum einen ist die Gravitation so stark, dass die Verwendung der einfachen mathematischen Formeln von Isaac Newton nicht funktioniert. Sie müssen Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie verwenden, die viel komplexer ist, die Gleichungen jedoch leichter löst.
Sie müssen auch wissen, wie stark eine Neutronensternkruste ist, und das ist ein quantenmechanisches Problem, das ... schwierig ist. Es können jedoch Näherungen gemacht werden, die die Berechnung erleichtern. Die übliche Antwort ist, dass ein Berg auf einem Neutronenstern etwa 10 Zentimeter hoch werden kann, bevor er die Kruste durchbricht.
Die Berechnungsmathematik macht jedoch eine lustige Annahme: Der Berg übt Druck auf die gesamte Kruste aus und nicht nur auf die Stelle, auf der er sitzt. Diese Annahme macht die Mathematik viel einfacher, aber es scheint klar, dass Sie ein großes Problem haben werden, lange bevor die gesamte Kruste zerbricht, lokal einen Berg auf einem Neutronenstern zu bauen.
Dem geht die neue Arbeit nach. Sie stellen fest, dass die kritische Größe eines Berges von vielen anderen Faktoren abhängt, einschließlich seiner Herstellung (vielleicht wird Material von einem Begleitstern abgezogen oder das bösartig starke Magnetfeld hilft dabei, Materie von der Oberfläche zu heben). Wenn sie ihre Berechnungen durchführen, stellen sie fest, dass der höchste Berg bis zu einem Zentimeter hoch sein kann, aber je nach spezifischen örtlichen Bedingungen bis zu weniger als einen Millimeter reichen kann.
Ein rotierender Neutronenstern mit einem starken Magnetfeld wirbelt um ihn herum subatomare Teilchen auf. Bildnachweis: NASA / Swift / Aurore Simonnet, Sonoma State University
Affirmationen für Seelenfrieden
Ein Berg, der weniger als einen Millimeter hoch ist! Das ist ein Zehnmillionstel der Größe des Mauna Kea. Um zu skalieren, wäre es aufgrund der starken Schwerkraft jedoch immer noch milliardenfach schwieriger zu klettern. Ich bin erschöpft, ein paar tausend Höhenmeter hier auf der Erde zu klettern, also werde ich meine Neutronenstern-Wanderpläne wohl auf Eis legen.
Anders ausgedrückt: Die Höhe des Mauna Kea beträgt 0,08 % des Erddurchmessers. Die Höhe eines 1 mm hohen Berges auf einem Neutronenstern beträgt 0,000003% seines Durchmessers. Klitzeklein. Neutronensterne sind glatt .
All dies hat interessante Implikationen. Neutronensterne neigen dazu, sich schnell zu drehen, und es dauert von einigen Sekunden bis manchmal nur eine Handvoll Millisekunden, um sich einmal zu drehen. Im Laufe der Zeit verlangsamt sich diese Geschwindigkeit, da der Neutronenstern an verschiedene Faktoren Rotationsenergie verliert. Zum Beispiel kann sein starkes Magnetfeld geladene subatomare Teilchen im Weltraum um ihn herum mitreißen. Das wirkt wie ein Fallschirm und erzeugt einen Widerstand, der den Spin verlangsamt.
Aber sie können auch Gravitationswellen ausstrahlen, die buchstäblich das Gewebe der Raumzeit erschüttern . Ein perfekt symmetrisches, sich drehendes Objekt wie eine Kugel oder sogar eine abgeflachte Kugel sendet diese Wellen nicht aus, aber jede Abweichung davon Wille sie erstellen. Sagen wir, eine Beule an der Seite eines Neutronensterns. Das wirft die Symmetrie auf und erzeugt die Gravitationswellen . Diese Wellen beziehen ihre Energie aus dem Spin des Sterns, so dass sich die Rotation des Sterns verlangsamt, wenn sie erzeugt werden.
Wir haben diese Wellen noch nie von einem sich drehenden Neutronenstern entdeckt, aber Wissenschaftler hoffen, sie eines Tages zu sehen. Die Größe des Berges wird bestimmen, wie viel Energie die Wellen haben. Wenn wir sie also jemals entdecken wollen, müssen wir verstehen, wie sich Berge auf Neutronensternen verhalten.
Außerdem sind diese Berechnungen an sich schon interessant. Neutronensterne sind faszinierend und erschreckend und die Ursache für viele noch erschreckendere Phänomene wie Magnetare (ja, lesen Sie dies über Magnetare, wenn Sie sich trauen). Je besser wir sie also verstehen, desto besser.
Und es ist einfach cool. Ein Berg, kleiner als ein Sandkorn, aber einer, der Billionen mal mehr wiegt! Das Universum ist so ein seltsamer Ort, und je mehr wir darüber erfahren, desto seltsamer und großartiger wird es.
