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XMM-NEWTON & SUZAKU
Das exotische Innere von Neutronensternen
von Stefan Deiters
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28. August 2007

Mit einer neuen Methode haben Astronomen versucht, mehr über das Innere von Neutronensternen zu erfahren. Mithilfe der Röntgensatelliten XMM-Newton und Suzaku beobachteten sie Spektrallinien von heißen Eisenatomen um drei Neutronensterne. Das Verfahren lieferte nicht nur den Durchmesser der exotischen Objekte, sondern überprüfte gleichzeitig noch Einsteins Relativitätstheorie.

Serpens X-1

So ungefähr könnte das System Serpens X-1 aussehen. Bild:  NASA

Neutronensterne sind in im wahrsten Sinne des Wortes exotische Objekte: Sie enthalten nämlich - unter aller beobachtbaren Objekten im Universum - die dichteste Materie. Diese kann im Inneren der Sterne deswegen in Formen vorliegen, die man in keinem Labor erzeugen kann. Neutronensterne sind das, was nach einer Supernova-Explosion von einem massereichen Stern übrig bleibt. Sie vereinigen mehr als die Masse unserer Sonne in einer Region, die nur einige zehn Kilometer Durchmesser hat. Nur einige Tassen dieser Materie würden mehr wiegen als das gesamte Massiv des Mount Everest.

Das Studium dieser exotischen Objekte ist für Astrophysiker aus mehreren Gründen interessant: "Das ist Grundlagenphysik", meint Sudip Bhattacharyya vom Goddard Space Flight Center der NASA, der zusammen mit einigen Kollegen jetzt neue Beobachtungen von Neutronensternen gemacht hat. "Im Inneren von Neutronensternen könnten sich exotische Formen von Materie wie etwa Quarkmaterie befinden, die wir im Labor nicht herstellen können. Die einzige Möglichkeit etwas darüber zu erfahren, ist es, die Neutronensterne zu verstehen."

Entscheidend dafür ist die möglichst genaue Bestimmung von Masse und Durchmesser der Neutronensterne. Zwei jetzt veröffentlichte Studien, die auf Beobachtungen mit dem europäischen Röntgenteleskop XMM-Newton sowie dem japanisch-amerikanischen Röntgensatelliten Suzaku basieren, haben die Forscher nun einen wichtigen Schritt vorangebracht. Mit Hilfe von XMM-Newton haben Bhattacharyya und seinen Kollegen das System Serpens X-1 unter die Lupe genommen, das aus einem Neutronenstern und einem stellaren Begleiter besteht. Von besonderem Interesse für die Forscher waren dabei die Spektrallinien der heißen Eisenatome, die mit rund 40 Prozent der Lichtgeschwindigkeit in einer Scheibe unmittelbar über der Oberfläche des Neutronensterns herumwirbeln.

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Eisen wurde schon in zuvor aufgenommenen Spektren von Neutronensternen festgestellt, allerdings war die Beobachtungsqualität nicht ausreichend genug, um die Form der Spektrallinien festzustellen. Aus der Form nämlich, können Wissenschaftler eine ganze Menge lernen: So stellten Bhattacharyya und seine Kollegen fest, dass im Falle von Serpens X-1 die Eisenlinie auf einer Seite deutlich verbreitert war - ein Effekt der hohen Geschwindigkeit des Gases, der sich durch den Doppler-Effekt und aus Folge von Einsteins spezieller Relativitätstheorie erklärt. Die Masse des Neutronensterns sorgt zudem für eine Verzerrung der Raumzeit, wie sie Einsteins allgemeine Relativitätstheorie voraussagt. Dies führt zu einer Verschiebung der Eisenlinie im Spektrum in Richtung längerer Wellenlängen.

"Wir kennen diese asymmetrischen Linien von vielen Schwarzen Löchern, aber dies hier ist die erste Bestätigung dafür, dass auch Neutronensterne in der Lage sind, sie zu produzieren", erläutert Goddard-Kollege Tod Strohmayer die Bedeutung der Beobachtungen. "Das zeigt uns, dass die Art und Weise, wie Neutronensterne Material aufsammeln, sich nicht wesentlich von der Schwarzer Löcher unterscheidet und bietet zudem eine neue Gelegenheit Einsteins Theorien zu testen."

Eine zweite Gruppe von Forschern hat mit Hilfe von Suzaku drei Neutronensterne untersucht, darunter auch Serpens X-1. Das Team um Edward Cackett von der University of Michigan konnte die Ergebnisse der XMM-Beobachtungen bestätigen und entdeckte auch bei den beiden anderen Neutronensternen ähnlich verformte Eisenlinien. "Wir beobachten, wie das Gas knapp oberhalb der Oberfläche um den Neutronenstern herumwirbelt", so Cackett. "Und da die Innenseite der Staubscheibe logischerweise nicht weiter als bis zur Oberfläche reichen kann, geben uns unsere Messungen auch einen oberen Grenzwert für die Größe des Neutronensterns. Danach können sie im Durchmesser nicht größer sein als 29,6 bis 32,8 Kilometer."

Durch die Messung der relativistischen Eisenlinien um drei Neutronensterne haben die Astronomen eine neuen Technik etabliert, um die Größe dieser Objekte zu bestimmen. Da dies immer noch recht schwierig ist, ist es wichtig, unterschiedliche Verfahren zu haben, die sich gut ergänzen. Kennen die Astronomen die Masse und Größe des Neutronensterns, können sie errechnen, wie dicht gepackt die Materie im Inneren des Sterns sein muss.

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Das Innere eines Neutronensterns. Diskutieren Sie mit anderen Lesern im astronews.com Forum.
siehe auch
Neutronensterne: Keine exotische Materie im Inneren - 30. Juni 2006
Neutronensterne: Sternenbeben enthüllt inneren Aufbau - 27. April 2006
Neutronensterne: Sternenbeben auf SGR 1806-20 - 21. Juli 2005
Neutronensterne: Beben im Beryllium - 26. Oktober 2001
Links im WWW
XMM-Newton
Suzaku
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