How big is Neutronenstern?

Ein Neutronenstern ist der kollabierte Kern eines massereichen Sterns, der als Supernova explodiert ist, jene Explosion, die das Leben mancher großer Sterne beendet. Er vereint mehr Masse als die Sonne in einer Kugel von etwa 24 bis 26 Kilometern Breite. Diese Breite ist sein Durchmesser, gemessen geradewegs durch seinen Mittelpunkt.

Größe

Wissenschaftler vermuten, dass ein Neutronenstern unter einer dünnen Atmosphäre aus Wasserstoff oder Helium eine feste Kruste aus schweren Atomen besitzt. Dadurch hat er eine Oberfläche, deren Größe sich messen lässt. Präzise Messungen liefert NICER, ein Röntgenteleskop an Bord der Internationalen Raumstation.

NICER untersucht Pulsare, schnell rotierende Neutronensterne. Anhand seiner Daten fanden Astronomen heraus, dass der Pulsar PSR J0030+0451 etwa 26 Kilometer groß ist und etwa das 1,4-Fache der Sonnenmasse besitzt. PSR J0740+6620, mit etwa dem 2,1-Fachen der Sonnenmasse, maß in der Analyse eines Teams etwa 25 Kilometer, in der eines anderen etwa 27. 2024 wurde ein dritter Pulsar, PSR J0437−4715, mit etwa 23 Kilometern gemessen.

Jedes dieser Ergebnisse ist um einige Kilometer unsicher. Ein Team kombinierte 2021 die Ergebnisse der ersten beiden Pulsare mit weiteren Beobachtungen und fand, dass ein typischer Neutronenstern mit dem 1,4-Fachen der Sonnenmasse einen Radius von 12,45 Kilometern hat, mit einer Unsicherheit von 0,65 Kilometern. Das ergibt einen Durchmesser von etwa 24 bis 26 Kilometern.

Größenvergleiche

Die NASA vergleicht die Breite eines Neutronensterns mit der Länge der Insel Manhattan in New York City.
Einmal um den Äquator eines 24 Kilometer großen Neutronensterns zu laufen, entspräche etwa 75 Kilometern, der Länge von etwa 1,8 Marathons.
Phobos, der größere Marsmond, ist etwa 27 Kilometer lang, etwas mehr als die Breite eines Neutronensterns. Dennoch hat ein typischer Neutronenstern etwa das 260-Billionenfache der Masse von Phobos.
Die Sonne ist etwa 1,39 Millionen Kilometer groß, das 58.000-Fache der Breite eines 24 Kilometer großen Neutronensterns.
Wäre ein Neutronenstern auf die Größe eines Basketballs geschrumpft, wäre die Sonne im selben Maßstab eine Kugel von etwa 14 Kilometern Durchmesser.

Wie ein Neutronenstern entsteht

Am Ende seines Lebens geht einem Stern, der viele Male schwerer ist als die Sonne, der Brennstoff in seinem Kern aus. Der Kern kollabiert unter seinem eigenen Gewicht, und der Stern explodiert als Supernova. Die schwersten dieser Sterne hinterlassen Schwarze Löcher. Leichtere hinterlassen Neutronensterne.

Beim Kollaps werden die Protonen und Elektronen des Kerns zu Neutronen verschmolzen, den Teilchen, die dem Stern seinen Namen geben. Hat der kollabierende Kern etwa das 1- bis 3-Fache der Sonnenmasse, können die Neutronen den Kollaps stoppen.

Im Inneren

Wissenschaftler gehen davon aus, dass ein Neutronenstern schichtweise aufgebaut ist. Unter der Kruste zerlegt der Druck die Atome in ein Meer aus überwiegend Neutronen. Tief im Inneren sind die Neutronen bis zu doppelt so dicht gepackt wie die Teilchen in einem Atomkern. Welche Form die Materie im allerinnersten Zentrum annimmt, ist noch unbekannt.

Im Durchschnitt enthält jeder Kubikzentimeter eines typischen Neutronensterns 300 bis 400 Millionen Tonnen. Indem sie sowohl die Größe als auch die Masse von Neutronensternen messen, können Physiker herausfinden, wie sich derart dichte Materie verhält. PSR J0740+6620 hat fast 50 % mehr Masse als PSR J0030+0451, ist aber fast genauso groß. Dieses Ergebnis spricht gegen manche Vorstellungen, nach denen sich die Materie im Zentrum leichter zusammenpressen lässt.

Pulsare und ihre Entdeckung

Walter Baade und Fritz Zwicky schlugen 1934 vor, dass Neutronensterne existieren. Jocelyn Bell Burnell entdeckte 1967 die ersten Pulsare. Die meisten bekannten Neutronensterne werden als Pulsare beobachtet. Jeder von ihnen sendet Strahlen aus, die beim Rotieren wie das Licht eines Leuchtturms über den Himmel streichen, sodass er scheinbar an- und ausblinkt.

Pulsare können sich sehr schnell drehen. PSR J0740+6620 rotiert 346-mal pro Sekunde. NICER misst die Ankunftszeit jedes Röntgenphotons von einem Pulsar auf 100 Nanosekunden genau, also 100 Milliardstel einer Sekunde. Die wechselnde Helligkeit zeigt, wie stark der Stern das Licht krümmt, und daraus lässt sich zusammen mit seiner Masse die Größe des Sterns bestimmen.