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Extreme Objekte mit extremer Schallgeschwindigkeit
Redaktion
/ idw / Pressemitteilung der Technischen Universität Darmstadt
astronews.com
2. Januar 2026
Neutronensterne zählen zu den extremsten Objekten im
Universum. Nun haben sich drei Wissenschaftler die sogenannte Quarkmaterie
genauer angeschaut und ihre thermodynamischen Eigenschaften untersucht. Dabei
stellte sich heraus, dass die Schallgeschwindigkeit in Neutronensternen mehr als
60 Prozent der Lichtgeschwindigkeit betragen könnte.
Künstlerische Darstellung eines Magnetars, also eines
Neutronensterns mit einem extrem starken Magnetfeld.
Bild: ESO / L. Calçada [Großansicht] |
Die genaue Beschreibung von Materie unter extremen Bedingungen, wie sie im
Inneren von Neutronensternen vorkommt, ist bis heute ein ungelöstes Problem. Die
Dichte dieser besonderen Materie entspricht der von etwa 100.000 Eiffeltürmen
auf einen Kubikzentimeter komprimiert. Besonders die Eigenschaften sogenannter
Quarkmaterie, die aus den fundamentalen Bausteinen des Universums besteht und in
extrem dichten Regionen existieren kann, spielen dabei eine Rolle. Forschende
der Technischen Universität Darmstadt und der Goethe-Universität Frankfurt haben
jetzt diese Materie sowie deren thermodynamischen Eigenschaften untersucht.
Theoretische Untersuchungen zeigen, dass Quarks bei sehr niedrigen
Temperaturen in einen sogenannten "farbsupraleitenden Zustand" übergehen,
welcher der Materie völlig neue Eigenschaften verleiht. Dieser Zustand ähnelt
dem Übergang eines Elektronengases in einen elektrischen Supraleiter – nur dass
Quarks statt Elektronen sich zu Paaren formen und eine Energielücke im
Anregungsspektrum ausbilden. Anders als bei einem herkömmlichen Supraleiter
leitet ein Farbsupraleiter in der Regel aber nicht elektrische Ströme ohne
Widerstand, sondern die Farbladung der Quarks. Diese Ladung bestimmt letztlich
die Stärke der Wechselwirkung zwischen diesen kleinsten Materiebausteinen des
Universums.
Die Bildung von Quarkpaaren und die daraus resultierende Energielücke
verändern das Verhalten der Materie grundlegend. Selbst relativ schwache
Paarungseffekte haben deutliche Auswirkungen auf die Materie und deren
thermodynamische Eigenschaften. Andreas Geißel, Tyler Gorda und Jens Braun
untersuchen diese Effekte im Detail. Sie berechnen Korrekturbeiträge, die aus
Paarbildung und Wechselwirkungen der Quarks entstehen, und berücksichtigen dabei
die spezifischen Bedingungen im Inneren von Neutronensternen. Damit kann das
Forscherteam schließlich sowohl den thermodynamischen Druck als auch die
Schallgeschwindigkeit in farbsupraleitender Quarkmaterie bestimmen.
Die Ergebnisse zeigen, dass der farbsupraleitende Zustand bei hohen Dichten
thermodynamisch bevorzugt ist. Außerdem führt dieser Zustand zu einer
signifikanten Erhöhung der Schallgeschwindigkeit, ein direktes Maß für die
mechanische Stabilität von Materie. Aus den Berechnungen ergibt sich unter
anderem, dass die Schallgeschwindigkeit im Inneren von Neutronensternen mehr als
60 Prozent der Lichtgeschwindigkeit betragen könnte, also mehr als 180.000
Kilometer pro Sekunde. Dieser Wert wirkt umso imposanter, wenn man ihn mit der
Schallgeschwindigkeit im härtesten irdischen "Alltagsmaterial", dem Diamanten,
vergleicht. Diese ist 10.000-mal kleiner.
Numerische Simulationen deuten außerdem darauf hin, dass solch hohe
Schallgeschwindigkeiten notwendig sind, um die Stabilität der massereichsten
bekannten Neutronensterne zu erklären. Die Arbeit von Geißel, Gorda und Braun
legt nun nahe, dass farbsupraleitende Materie einen wichtigen Baustein für die
Erklärung massereicher Neutronensterne darstellt und gleichzeitig die
Beobachtung derselben hilft, die Energielücke im Quarkspektrum präziser
einzugrenzen.
Ihre Ergebnisse veröffentlichte das Team in einem Fachartikel, der in den
Physical Review Letters erschienen ist.
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