Wenn ein massereicher Stern stirbt, werden seine Überreste unter bestimmten Bedingungen zu einer Kugel mit dem Durchmesser von einer Großstadt wie Frankfurt zusammengepresst. Bislang ist wenig über das Innere solcher Neutronensterne bekannt. Seit ihrer Entdeckung vor mehr als 60 Jahren versuchen Wissenschaftler, ihre Struktur zu entschlüsseln. Die größte Herausforderung besteht darin, die extremen Bedingungen im Inneren von Neutronensternen zu simulieren, da sie im Labor kaum nachgestellt werden können. Nun ist es Physikern der Goethe-Universität Frankfurt gelungen, des Rätsels Lösung etwas näher zu kommen. Eine Arbeitsgruppe um den theoretischen Astrophysiker Luciano Rezzolla hat mehr als eine Million verschiedene Zustandsgleichungen entwickelt, die den Vorhersagen der theoretischen Kernphysik einerseits und den astronomischen Beobachtungen andererseits gerecht werden. Das Team publizierte die Ergebnisse im Fachmagazin »The Astrophysical Journal Letters«.

Die Wissenschaftler machten dabei eine überraschende Entdeckung: »Leichte« Neutronensterne mit einer Masse von weniger als etwa 1,7 Sonnenmassen scheinen einen weichen Mantel und einen harten Kern zu haben, während »schwere« Neutronensterne mit einer Masse von mehr als 1,7 Sonnenmassen einen harten Mantel und einen weichen Kern haben. »Dieses Ergebnis ist sehr interessant, denn es gibt uns ein direktes Maß dafür, wie komprimierbar das Zentrum von Neutronensternen sein kann«, kommentierte Rezzolla das Ergebnis.

Entscheidend für diese Erkenntnis war die Betrachtung der hypothetischen Schallgeschwindigkeit in kompakten Sternen, mit der sich Bachelor-Student Sinan Altiparmak beschäftigt hat. Diese Messgröße beschreibt, wie schnell sich Schallwellen in einem Objekt ausbreiten, und hängt davon ab, wie steif oder weich die Materie ist. »Es ist eine wichtige offene Frage mit zahlreichen Auswirkungen auf das Verhalten von Materie bei großen Dichten und somit auf die Gravitationswellenemission von Neutronensternen«, schreiben die Wissenschaftler. Sie untersuchten drei verschiedene Szenarien für die Schallgeschwindigkeit als Funktion der Dichte und versuchten zu ermitteln, welches Szenario das wahrscheinlichste ist.

»Mit unserer umfangreichen numerischen Studie können wir nicht nur Vorhersagen für die Radien und maximalen Massen von Neutronensternen machen, sondern auch neue Grenzen für ihre Verformbarkeit in Doppelsternsystemen setzen, also dafür, wie stark sie sich gegenseitig durch ihre Gravitationsfelder verzerren«, erklärte Christian Ecker, einer der drei Autoren.