Der bisher massereichste Neutronenstern ist doppelt so schwer wie unsere Sonne und wiegt damit rund 20 Prozent mehr als sein Vorgänger. Der neue Rekord würde mehrere theoretische Modelle für die Zusammensetzung von Neutronensternen ausschließen, so die Entdecker um Paul Demorest vom National Radio Astronomy Observatory.
Bei dem 3000 Lichtjahre von der Erde entfernten Neutronenstern PSR J1614-2230 handelt es sich um einen Pulsar, der sich 317 Mal pro Sekunde um die eigene Achse dreht. Ähnlich einem Leuchtturm streift die von ihm ausgesendete Radiostrahlung dabei in regelmäßigen Abständen über unseren Planeten. Zusammen mit einem Weißen Zwerg bildet der untersuchte Pulsar ein Doppelsternsystem. Ihr Orbit ist dabei gerade so ausgerichtet, das der Begleiter von uns aus betrachtet vor dem Neutronenstern vorüberzieht.
Shapiro-Verzögerung | Um die Masse von PSR J1614-2230 zu bestimmen, nutzen die Forscher die so genannte Shapiro-Verzögerung: Vom Pulsar emittierte Radiopulse treffen später auf der Erde ein, wenn sie dicht am Begleitstern vorbeilaufen. Denn laut der allgemeinen Relativitätstheorie ist die Lichtgeschwindigkeit in einem Gravitationsfeld – also in der Nähe des Weißen Zwerges – auf Grund der Gravitationszeitdilatation geringer als die Vakuumlichtgeschwindigkeit.
Um die Masse von PSR J1614-2230 zu bestimmen, nutzen die Wissenschaftler den aus der allgemeinen Relativitätstheorie bekannten Shapiro-Effekt. Demnach verlängert sich die Laufzeit elektromagnetischer Strahlung in einem Gravitationsfeld, da die Lichtgeschwindigkeit hier geringer ist als die Vakuumlichtgeschwindigkeit. Läuft die Radiostrahlung des Pulsars auf dem Weg zur Erde dicht am begleitenden Weißen Zwerg entlang, kommt dieser Effekt zum Tragen.
Je nachdem wie Pulsar und Begleitstern gerade zueinander stehen, ändert sich also die Ankunftszeit der Radiopulse auf der Erde. Aus diesen systematischen Verzögerungen haben Demorest und seine Kollegen nun zunächst auf die Stärke des Shapiro-Effekts und dadurch auf die Masse des Begleitsterns geschlossen. Die Gesamtmasse des Systems leiteten die Wissenschaftler aus den Umlaufbahnen der beiden Sterne ab und konnten so schließlich auch die Pulsarmasse bestimmen – zu 1,97 Sonnenmassen.
Die Ergebnisse schränken derzeit existierende Modelle über das Innenleben von Neutronensternen ein oder widerlegen diese teilweise sogar, berichten die Forscher. So lässt sich beispielsweise ausschließen, dass derartige Sterne neben Neutronen auch bestimmte andere exotische subatomare Teilchen namens Hyperonen oder Kaonenkondensat enthalten. Zudem dürften Quarks – die Bausteine von Protonen und Neutronen – im Kern des Neutronensterns nicht frei sein, sondern müssen stark miteinander in Wechselwirkung treten. (mp)
Quellen
Demorest, P. B. et al.:A two-solar-mass neutron star measured using Shapiro delay. In: Nature 467, S. 1081–1083, 2010.
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