gov-civil-vilareal.ptWie groß ist ein Neutronenstern?
>Neutronensterne sind die Überreste von massereiche Sterne, nachdem sie Supernova geworden sind ; Während die äußeren Schichten des Sterns nach außen explodieren und ein Feuerwerk buchstäblich kosmischen Ausmaßes erzeugen, kollabiert der Kern des Sterns und wird unglaublich komprimiert. Wenn der Kern genug Masse hat, wird er ein schwarzes Loch , aber wenn es unter dieser Grenze liegt, wird es zu einem ultradichten Ball, der hauptsächlich aus Neutronen besteht.
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Die Statistiken für Neutronensterne sind ernüchternd . Sie haben eine Masse von bis zu über dem Doppelten der Sonne, aber die Dichte eines Atomkerns: Über 100 Billion Gramm pro Kubikzentimeter. Das ist schwer zu begreifen, aber stell es dir so vor: Wenn du jedes einzelne Auto in den USA zu Neutronenstern-Zeug komprimierst, bekommst du einen Würfel 1 Zentimeter an einer Seite . Die Größe eines Zuckerwürfels oder eines sechsseitigen Würfels. Die gesamte Menschheit, die in einen solchen Zustand komprimiert wird, wäre weniger als doppelt so breit.
Neutronensterne haben eine Oberflächengravitation, die das Hundertmillionenfache der Erdanziehungskraft beträgt, und Magnetfelder sogar noch stärker. Ein Neutronenstern, der die halbe Galaxie von uns entfernt ist, hatte ein seismisches Ereignis, das uns hier auf der Erde, 50.000 Lichtjahre entfernt, physisch beeinflusste.
Alles an Neutronensternen ist erschreckend. Aber für all das, wir sind uns immer noch nicht ganz sicher, wie groß sie sind .
Ein rotierender Neutronenstern mit einem starken Magnetfeld wirbelt um ihn herum subatomare Teilchen auf. Bildnachweis: NASA / Swift / Aurore Simonnet, Sonoma State University
Ich meine, wir haben eine ungefähre Vorstellung, aber die genaue Zahl ist schwer zu bestimmen. Sie sind zu klein, um sie direkt zu sehen, daher müssen wir ihre Größe aus anderen Beobachtungen ableiten, und diese sind mit Unsicherheiten geplagt. Ihre Größe hängt auch von ihrer Masse ab. Aber anhand von Beobachtungen von Röntgenstrahlen und anderen Emissionen von Neutronensternen haben Astronomen herausgefunden, dass sie einen Durchmesser von 20 bis 30 Kilometern haben. Das ist winzig, für so eine riesige Masse! Aber es ist auch eine irritierend große Reichweite. Können wir es besser machen?
Jawohl! Eine Gruppe von Wissenschaftlern ist das Problem auf andere Weise angegangen, und konnten die Größe dieser wilden, aber kleinen Bestien eingrenzen : Sie fanden heraus, dass ein Neutronenstern mit einer Masse des 1,4-fachen der Sonnenmasse (etwa im Durchschnitt für solche Dinge) einen Durchmesser von 22,0 Kilometern hat (mit einer Unsicherheit von +0,9/-0,6 km). Sie stellen fest, dass ihre Berechnung um den Faktor zwei genauer ist als alle anderen zuvor.
Das ist... klein. Mögen, Ja wirklich klein. Ich würde 22 km als kurze Radtour bezeichnen, obwohl es auf einem Neutronenstern schwierig sein würde, fair zu sein.
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
Wie sind sie an diese Nummer gekommen ? Die Physik, die sie verwendeten, ist eigentlich teuflisch kompliziert, aber sie lösten tatsächlich die Zustandsgleichung eines Neutronensterns – die physikalischen Gleichungen, die Eigenschaften eines Objekts wie Druck, Volumen und Temperatur in Beziehung setzen – um herauszufinden, wie die Bedingungen dafür wären ein Modell-Neutronenstern mit der 1,4-fachen Sonnenmasse.
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Anschließend verwendeten sie diese Ergebnisse und verglichen sie mit Beobachtungen eines Ereignisses aus dem Jahr 2017: Eine Verschmelzung zweier Neutronensterne, die zu einer kolossalen Explosion namens a . führte Kilonova . Dieses Ereignis mit dem Namen GW170817 war ein großer Wendepunkt für die Astronomie, da die kollidierenden Neutronensterne starke Gravitationswellen aussendeten, die buchstäblich das Gewebe des Universums erschütterten. Dies war unsere erste Warnung vor dem Ereignis, aber dann zielte ein großer Teil der Teleskope auf und über der Erde auf den Teil des Himmels, an dem sich die Verschmelzung befand, und sah die Explosion selbst, die Kilonova. Es war das erste Mal, dass ein Ereignis beobachtet wurde, das elektromagnetische Energie aussendet (d. h. Licht ), die erstmals in Gravitationswellen beobachtet wurde.
Kunstwerk, das den Moment der Kollision zwischen zwei Neutronensternen darstellt. Die resultierende Explosion ist… ziemlich groß. Kredit: Dana Berry, SkyWorks Digital, Inc.
Es hat auch den kollidierenden Neutronensternen viele Einschränkungen auferlegt. Zum Beispiel emittierten sie nach ihrer Verschmelzung Licht auf eine bestimmte Art und Weise, und es stellte sich heraus, dass dies nicht damit vereinbar war, dass der verschmolzene Überrest genügend Masse hatte, um direkt in ein Schwarzes Loch zu kollabieren. Das passiert ungefähr das 2,4-fache der Sonnenmasse, also wissen wir, dass die beiden Sterne zusammen weniger Masse hatten. Umgekehrt stimmte das Licht nicht damit überein, dass der Überrest ein Neutronenstern war unter auch diese Grenze. Es sieht so aus, als ob sich in der Nähe dieser Grenze ein „hypermassiver“ Neutronenstern gebildet hat, der für eine sehr kurze Zeit andauerte dann in ein Schwarzes Loch kollabiert.
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All diese Daten dienten den Wissenschaftlern zur Berechnung der Neutronensterngröße. Durch den Vergleich ihrer Modelle mit den Daten von GW170817 konnten sie den sinnvollen Größenbereich stark reduzieren und auf den Durchmesser von 22 km eingrenzen.
Diese Größe hat interessante Auswirkungen. Die Gravitationswellen-Wissenschaftler hoffen beispielsweise, die Verschmelzung eines Schwarzen Lochs und eines Neutronensterns zu sehen. Dies wird definitiv erkennbar sein, aber die Frage ist, ob es Licht aussendet, das herkömmlichere Teleskope sehen können? Das passiert, wenn Material des Neutronensterns während der Verschmelzung ausgestoßen wird und viel Licht erzeugt.
Die Wissenschaftler in dieser neuen Arbeit führten die Zahlen durch und fanden heraus, dass für einen Neutronenstern mit 1,4 Sonnenmassen und 22 km Durchmesser jedes Schwarze Loch, das größer als das etwa 3,4-fache der Sonnenmasse ist, nicht werfen Sie jedes Material aus! Das ist eine sehr geringe Masse für ein Schwarzes Loch, und es ist sehr unwahrscheinlich, dass wir eine so niedrige Masse sehen würden, insbesondere eines mit einem Neutronenstern, den es essen kann. Sie sagen also voraus, dass dieses Ereignis nur in Gravitationswellen und nicht in Licht zu sehen sein wird. Andererseits ist das nur für nicht drehend Schwarze Löcher, und in Wirklichkeit werden die meisten eine schnelle Drehung haben; Es ist unklar, was dort passieren würde, aber ich kann mir vorstellen, dass viele Leute ihre Modelle erneut ausführen werden, um zu sehen, was sie vorhersagen können.
Die Größe eines Neutronensterns zu haben bedeutet, besser zu verstehen, was passiert, wenn sie sich drehen, da ihre lächerlich starken Magnetfelder das Material um sie herum beeinflussen, wie sie neues Material ansammeln und was nahe der Massengrenze zwischen einem Neutronenstern und einem Schwarzen passiert Loch. Noch besser, da die LIGO / Virgo Gravitationswellen-Observatorium Leute verfeinern ihre Ausrüstung, von der sie erwarten, dass ihre Empfindlichkeit zunimmt, um bessere Beobachtungen von Neutronenstern-Verschmelzungen zu ermöglichen, die dann verwendet werden können, um die Größenbeschränkungen noch weiter zu verschärfen.
Ich war mein ganzes Leben lang von Neutronensternen fasziniert, und das ist ehrlich gesagt die richtige Einstellung. Sie sind Überbleibsel von Supernovae; sie kollidieren und bilden Gold, Platin, Barium und Strontium; sie sind das Kraftwerk hinter Pulsaren; sie können bewusstseinsvernichtende Energiestöße erzeugen; und sind die dichtesten Objekte im Universum (das physikalische Objekt im Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs ist für immer außerhalb unserer Reichweite). Ich meine, Komm schon . Sie sind tolle .
Und das über Größen sie.
