Neue Phase in Neutronensternen

TU-Professor Achim Schwenk und sein Team sind Experten für theoretische Kernphysik, wobei Neutronensterne zu ihren wichtigsten Forschungsobjekten gehören.
Bild: ESA

TU-Forschungsteam publiziert im renommierten Journal „Physical Review Letters“.

Neutronensterne sind extreme Himmelskörper, in deren Innern Materie exotische Formen annehmen kann. Forschende der TU Darmstadt und der Universität Kopenhagen konnten nun eine neue Phase vorhersagen, die “Nukleare Pasta” begünstigt.

Es sind extreme und rätselhafte Himmelskörper, in die Astrophysiker nicht hineinsehen können: Neutronensterne. Mit einem Radius von etwa zwölf Kilometern haben sie zum Teil mehr als die doppelte Masse der Sonne. In ihnen ist die Materie bis zu fünfmal so dicht gepackt wie in einem Atomkern – neben Schwarzen Löchern sind sie die dichtesten Objekte im Weltall. Unter den extremen Bedingungen kann Materie exotische Zustände annehmen. Eine Hypothese ist, dass sich die Bausteine der Atomkerne – Protonen und Neutronen – zu Platten und Fäden verformen, ähnlich wie Lasagne oder Spaghetti, weshalb Fachleute auch von „Nuklearer Pasta“ sprechen.

Forschende des Fachbereichs Physik der TU Darmstadt und des Niels-Bohr-Instituts in Kopenhagen haben nun den Zustand der Kernmaterie in der inneren Kruste von Neutronensternen mithilfe eines neuen theoretischen Ansatzes untersucht. Sie zeigten, dass dort nicht nur Neutronen, sondern auch Protonen aus Atomkernen „herausfließen“ und die „Nukleare Pasta“ stabilisieren können. Über ihre Ergebnisse berichten sie in der renommierten Fachzeitschrift „Physical Review Letters“.

Die Entstehung von Neutronensterne

Neutronensterne entstehen, wenn massereiche Sterne in einer Supernova explodieren: Während die äußere Hülle des Sterns ins All geschleudert wird, kollabiert sein Inneres. Durch die massive Gravitationskraft werden die Atome regelrecht zerquetscht. Die negativ geladenen Elektronen werden trotz ihrer Abstoßung so dicht an die positiv geladenen Protonen im Atomkern gepresst, dass sich in Neutronen umwandeln. Die starke Kernkraft verhindert dann den weiteren Kollaps. Am Ende entsteht ein Himmelskörper, der zu etwa 95 Prozent aus Neutronen und zu fünf Prozent aus Protonen besteht, eben ein „Neutronenstern“.

Die Darmstädter Forschenden um Achim Schwenk sind Experten für theoretische Kernphysik, wobei Neutronensterne zu ihren wichtigsten Forschungsobjekten gehören. In der aktuellen Arbeit haben sie sich mit der Kruste dieser extremen Himmelskörper beschäftigt. In der äußeren Kruste ist die Materie bei weitem nicht so dicht wie im Inneren und es existieren noch Atomkerne. Mit zunehmender Dichte kommt es in den Atomkernen bereits zu einem Neutronenüberschuss. Die Neutronen „tropfen“ aus den Kernen heraus, ein Phänomen, das als „neutron drip“ bezeichnet wird. Die Atomkerne „schwimmen“ also in einer Art Soße aus Neutronen.

„Wir haben uns gefragt, ob neben Neutronen auch Protonen aus den Kernen tropfen“, sagt Achim Schwenk. „Die Literatur war in dieser Frage nicht eindeutig“, so der Physiker. Das Team mit Jonas Keller und Kai Hebeler von der TU Darmstadt und Christopher Pethick vom Niels-Bohr-Institut in Kopenhagen hat den Zustand der Kernmaterie unter den Bedingungen in der Neutronenstern-Kruste neu berechnet. Anders als bisher berechneten sie deren Energie als Funktion des Protonenanteils. Außerdem bezogen sie nicht nur die Wechselwirkungen zwischen jeweils zwei Kernbausteinen in ihre Rechnungen ein, sondern auch die zwischen drei Nukleonen.

Nachweis des „Proton Drips“

Die Methode war erfolgreich: Die Forschenden konnten zeigen, dass auch Protonen in der inneren Kruste aus den Atomkernen herausfließen. Der „Proton Drip“ existiert also. Diese aus Protonen bestehende Phase koexistiert im Gleichgewicht mit den Neutronen. „Wir konnten auch zeigen, dass diese Phase das Phänomen von Nuklearer Pasta begünstigt“, sagt Schwenk. Dank der in die „Soße“ eingestreuten Protonen können die Nukleonen in Spaghetti- und Lasagne-Formen besser existieren. Damit konnte das Team das Bild der Kernmaterie in der Kruste von Neutronensternen verfeinern.

„Je besser wir Neutronensterne beschreiben können, desto mehr können wir mit Beobachtungen dieser Himmelskörper vergleichen“, sagt Schwenk. Neutronensterne sind astrophysikalisch schwer zu fassen. Zum Beispiel kennt man ihren sehr kleinen Radius nicht aus direkter Beobachtung, sondern aus indirekten Nachweisen, etwa ihrer Gravitationswirkung auf andere Neutronensterne. Andere Phänomene, wie die pulsierende Radiostrahlung von Neutronensternen, können jedoch beobachtet werden. Das Ergebnis des Teams verbessert das theoretische Verständnis von Neutronensternen und könnte dazu beitragen, aus astrophysikalischen Messungen neue Erkenntnisse über diese Rätsel des Universums zu gewinnen.

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Die Publikation

J. Keller, K. Hebeler, C. J. Pethick und A. Schwenk: “Neutron Star Matter as a Dilute Solution of Protons in Neutrons”, in: Phys. Rev. Lett. 132, 232701 (2024). DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.132.232701

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