Kratze einen einzigen Teelöffel Neutronensternmaterial heraus und er würde die Große Pyramide von Giza ungefähr 900-mal überwiegen. Nichts an diesem Satz ist eine Übertreibung — das ist einfach das, was passiert, wenn der Kern eines sterbenden Sterns zusammenbricht, bis Atome ihre Form nicht mehr halten können.
Ein Neutronenstern ist das, was nach dem Kollaps eines massiven Sterns übrig bleibt. Es ist kein Planet, kein gewöhnlicher Stern und auch keine Schwarzes Loch — er sitzt in der engen Zone kurz bevor die Schwerkraft endgültig gewinnt. Seit Jocelyn Bell Burnells Entdeckung finden Astronomen immer seltsamere Beispiele von ihnen, von Sternen, die schneller rotieren als ein Küchenmixer bis hin zu Sternen, deren Magnetfelder eine Kreditkarte vom halben Mond aus verwirren könnten.
Ein Stern zu Stadtgröße zusammengepresst
Nimm einen Stern mit etwa 1,4-facher Sonnenmasse und presse ihn in eine Kugel mit nur etwa 10 Kilometern (6 Meilen) Durchmesser, und du bekommst einen Neutronenstern. Das ist ungefähr die Breite einer Kleinstadt, die die Masse eines Sterns hält, der sich einmal über Millionen von Jahren über einen Durchmesser verbreitert hat, den du in wenigen Minuten durchfahren könntest.
Das Zusammenpressen ist so extrem, dass gewöhnliche Materie es nicht überstehen kann. Protonen und Elektronen werden zusammengedrückt zu Neutronen, von denen das Objekt seinen Namen bekommt. Das Ergebnis ist so dicht, dass ein einzelner Teelöffel davon die Große Pyramide von Giza ungefähr 900-mal überwiegen würde — ein Fakt, der nicht mehr abstrakt klingt, wenn du versuchst, dir einen so schweren Teelöffel auf einem Küchentisch vorzustellen.
Der Punkt, wo selbst ein Neutronenstern aufgibt
Neutronensterne haben ein Gewichtslimit, und es zu überschreiten bedeutet, stattdessen ein Schwarzes Loch zu werden. Das Fusionsereignis 2017 GW170817, das vermutlich kurz nach dem Aufprall in ein Schwarzes Loch kollabierte, ermöglichte es Astronomen, mit seinem Gravitationswellensignal diese Grenze auf etwa 2,17 Sonnenmassen für einen nicht rotierenden Neutronenstern festzulegen.
Echte Neutronensterne kommen dieser Grenze bemerkenswert nahe. Der bisher bestätigte massivste, ein Pulsar namens PSR J0952-0607, wiegt etwa 2,35 Sonnenmassen, wobei der wahre Wert in jede Richtung um etwa 0,17 unsicher ist. Das setzt ihn direkt an der Grenze, wo eine etwas schwerere Version des gleichen Objekts aufhören würde, ein Stern zu sein.
Manche davon drehen sich schneller als ein Mixer
Weil ein kollabierender Stern den größten Teil seiner ursprünglichen Rotation behält, während er sich zu einem Bruchteil seiner früheren Größe verkleinert, enden Neutronensterne mit Rotationsgeschwindigkeiten, die keinen alltäglichen Vergleich haben. Der Rekordhalter, ein Pulsar namens PSR J1748-2446ad, vollendet 716 Rotationen jede Sekunde — das ergibt 42.960 Umdrehungen pro Minute, mit Material an seiner Oberfläche, das sich mit ungefähr einem Viertel der Lichtgeschwindigkeit bewegt.
Rotierende Neutronensterne, die Strahlung zur Erde strahlen, werden Pulsare genannt, weil der Strahl von unserem Standpunkt aus wie ein rhythmischer Puls aussieht, ähnlich einem Leuchtturm, der an einem Schiff vorbeifegt. Ein typischer ist nur etwa 30 Kilometer groß, schafft es aber trotzdem, hunderte Male pro Sekunde zu rotieren, während dieser Radiowellen-Strahl — und manchmal Röntgenstrahlen — in den Weltraum feuert.
Ein Kartenschreiber, 57 Tennisplätze und eine übersehene Entdeckung
Pulsare wurden fast zufällig entdeckt. Eine Cambridge-Doktorandin namens Jocelyn Bell half beim Bau eines Funkteleskops, das knapp unter zwei Hektar Fläche bedeckte, ungefähr die gleiche Fläche wie 57 Tennisplätze. Statt eines Bildschirms produzierte es seine Ergebnisse auf analoge Weise: Stift-auf-Papier-Diagrammaufzeichnungen, die mehr als 30 Meter jeden einzelnen Tag lang waren, die sie von Hand durcharbeiten musste.
In diesem Papier war ein Signal zu regelmäßig, um Rauschen zu sein. Bell und ihr Supervisor Antony Hewish veröffentlichten die Entdeckung in der Zeitschrift Nature, und die Entdeckung gewann letztendlich einen Nobelpreis — aber als der Nobelpreis für Physik 1974 dafür verliehen wurde, ging die Ehre an Hewish und seinen Kollegen Martin Ryle, nicht an Bell selbst, eine Entscheidung, die Physiker heute noch diskutieren.
Die Pulsar-Jagd hat sich seit einem Stapel Papierausdrucke weit entwickelt. Astronomen haben mittlerweile mehr als 2.600 von ihnen katalogisiert, hauptsächlich in der Milchstraße, und nutzen sie, um nach niederfrequenten Gravitationswellen zu suchen, die Struktur der Galaxie zu kartieren und Einsteins Relativitätstheorie zu testen. Australiens Parkes-Funkteleskop, das 1968 seine erste Pulsar-Beobachtung machte, erschien später neben einem Bild eines Pulsars auf Australiens erstem 50-Dollar-Schein — ein seltener Fall eines wissenschaftlichen Instruments auf der Währung.
Magnetare: Die stärksten Magnete des Universums
Einige Neutronensterne treiben die Extreme noch weiter. Magnetare sind eine Unterklasse mit Magnetfeldern so mächtig, dass die gewöhnliche Physik um sie herum anfängt zu biegen, und ab Juli 2021 hatten Astronomen 24 von ihnen bestätigt.
Die Skala dieses Magnetismus ist schwer zu übertreiben. Positioniert auf halber Strecke zwischen Erde und Mond — deren durchschnittliche Entfernung 384.400 Kilometer (238.900 Meilen) beträgt — könnte das Magnetfeld eines Magnetars immer noch die Daten auf jeder Kreditkarte des Planeten löschen. Jemals in die Nähe eines zu kommen, wäre wirklich eine schlechte Idee, und zum Glück sind die nächstgelegenen bekannten Magnetare weit entfernt.
Wenn zwei von ihnen zusammenstoßen
Neutronensterne umkreisen sich gelegentlich eng genug, um sich spiralförmig zu nähern und zu verschmelzen, und das Ergebnis ist eines der gewalttätigsten Ereignisse, das Astronomen beobachten können. Gravitationswellen von genau solch einer Kollision, genannt GW170817, erreichten die Observatorien von LIGO und Virgo am 17. August 2017; die Quelle waren zwei Neutronensterne, die in NGC 4993, einer Galaxie in der Konstellation Hydra, ungefähr 140 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt, verschmolzen.
Diese Verschmelzung war kein Einzelfall. Ein Gammastrahlenblitz namens GRB150101B, vermutlich ein ähnliches Verschmelzungsereignis, wurde an einem Ort weit entfernt von der Erde zurückverfolgt — ungefähr 1,7 Milliarden Lichtjahre entfernt — was darauf hindeutet, dass diese Kollisionen im Universum häufiger vorkommen als jede einzelne Erkennung zeigen könnte. Von jeder Verschmelzung wird angenommen, dass sie schwere Elemente schmiedet, die kein gewöhnlicher Stern produzieren kann, und das Universum mit Material besamt, das letztendlich in Planeten und möglicherweise in Schmuck endet.
Seltsame Gesellschaft: Ein Alien-Schrecken und ein Album-Cover
Neutronensterne haben sich weit über astronomische Fachzeitschriften hinaus ausgewirkt. Die ersten bestätigten Planeten außerhalb unseres eigenen Sonnensystems wurden 1992 entdeckt, und sie umkreisten überhaupt nicht einen gewöhnlichen Stern — sie umkreisten den Pulsar PSR B1257+12, eine Entdeckung, die Forscher überraschte, die nach Planeten um sonnenähnliche Sterne gesucht hatten.
Jahrzehnte zuvor war das allererste Pulsarsignal so präzise regelmäßig, dass sich Wissenschaftler kurz fragten, ob es sich um ein künstliches Zeichen handeln könnte. Es war nicht, aber ein Diagramm seines rhythmischen Signals bekam ein unerwartetes Nachleben: Die englische Post-Punk-Band Joy Division wählte dieses Pulsardiagramm als Kunstwerk für Unknown Pleasures, das 1979er Album, das sein Debüt startete — und verwandelte eine Physik-Lesart in eines der erkennbaren Bilder im Rock-Music.