Kosmische Monster – Neutronensterne, Quarksterne und Schwarze Löcher


Im vierten Beitrag meiner Reihe Unser Universum dreht sich alles um Neutronensterne, Quarksterne und am Ende um die berüchtigten Schwarzen Löcher. Diese Himmelskörper, obwohl im direkten Vergleich zu normalen Sternen winzig, sind mit ihren äußerst seltsamen Eigenschaften regelrechte kosmische Monster. Mit einem solchen Objekt in der Nachbarschaft hätte sich auf der Erde mit Sicherheit kein Leben entwickeln können. Aber dazu später mehr.

Bevor wir uns die sonderbaren Eigenschaften näher anschauen, gibt es ein kurze Wiederholung. Im Prinzip habe ich den Entstehungsprozess eines Neutronensterns ja bereits in meinem Artikel zur Exotischen Materie ausführlich erläutert. Fassen wir das wichtigste noch mal kurz zusammen:

Exkurs: Das Ende eines Sterns
Wenn einem großen Stern der Brennstoff ausgeht und die Fusion von Wasserstoff zu Helium zum Erliegen kommt, dann explodiert der Stern und schleudert dabei einen großen Teil seiner Masse in den Weltraum. Eine solche Explosion wird Supernova genannt und gehört zu den spektakulärsten Ereignissen im Kosmos. Für einen kurzen Zeitraum kann eine solche Supernova ganze Galaxien überstrahlen und sogar mit dem bloßen Auge am Taghimmel zu sehen sein. Heute können solche Ereignisse mit starken Teleskopen in weit entfernten Galaxien fast täglich beobachtet werden, doch auch unsere Vorfahren haben bereits Supernovae ohne technische Hilfsmittel beobachtet. Für 2022 kann ein solches Ereignis sogar von unseren Astronomen vorhergesagt werden. In diesem Fall wird die Supernova jedoch das Resultat zweier kollidierender Sterne sein.

Aber ich schweife ab. Wenn also ein massereicher Stern am Ende seines Lebens seine Gashülle abgeworfen hat, bleibt der Kern aus den schwereren Elementen übrig. Dieser Kern wird nun von der eigenen Schwerkraft zusammengepresst und kollabiert. Übrig bleibt – abhängig von der Ausgangsmasse – ein Brauner Zwerg, ein Weißer Zwerg, ein Neutronenstern, usw. Am Ende dieser Reihe steht die Geburt eines stellaren Schwarzen Lochs. Dies geschieht, sofern der sterbende Stern ursprünglich über mehr als vierzig Sonnenmassen verfügte – abhängig davon, wieviel Masse während der Explosion abgestoßen wurde. Aber dazu später mehr…

Ok, let’s go. Wenn eine Supernova einen Kern hinterlässt, der mindestens mal so viel wiegt, wie unsere Sonne, bildet sich ein Neutronenstern. Dieser hat nur einen Durchmesser von ca. 20 km und stellt damit ein extrem dichtes Objekt dar. Ein Löffel voll mit der Materie dieses Objekts wiegt ungefähr so viel wie der Himalaya. Da Neutronensterne so kompakt sind, liegt die Gravitation an ihrer Oberfläche bei unglaublichen 7.000.000.000.000 G. Die Gravitation ist so hoch, dass die Elektronen in die Protonen gedrückt werden und nur noch eine Masse aus Neutronen übrigbleibt – daher der Name. Die Dichte eines Neutronensterns ist größer, als die eines normalen Atomkerns, d. h. die Neutronen sitzen extrem eng zusammen.
Über diese unvorstellbaren Tatsachen hatte ich ja bereits in meinem Artikel über die Gravitationskräfte im Universum berichtet. Aber Neutronensterne haben noch weit merkwürdigere Eigenschaften, beispielsweise rotieren sie sehr schnell. Einige Exemplare drehen sich fast tausendmal pro Sekunde und das bei dieser unglaublichen Masse. Jeder kennt den Pirouetteneffekt im Eiskunstlauf und so ähnlich verhält es sich hier auch, wenn der Rotationsimpuls des ursprünglichen Sterns bei abnehmenden Durchmesser zu immer höheren Rotationsfrequenzen führt. Diese Rotation erzeugt ein extrem starkes Magnetfeld und wenn die Pole dieses Magnetfelds nicht genau auf der Rotationsachse liegen, tritt an den Polen eine permanente Radiostrahlung mit der 100.000fachen Leistung unserer Sonne aus. In direkter Nähe einer solchen Strahlungsquelle ist es also äußerst ungemütlich. Neutronensterne, die so rotieren, nennt man Pulsare, da sie einen in Frequenz und Richtung gleichbleibenden Puls aussenden. Damit können Pulsare auch zur Positionsbestimmung verwendet werden, sie stellen sozusagen das GPS System unserer Galaxie dar. 1971 hat die NASA mehrere Sonden auf den Weg gebracht, auf denen die Position der Erde anhand der Frequenz und Richtung einiger bekannter Radio-Pulsare dargestellt ist.
Eine weitere Sonderform sind die Magnetare. Diese Neutronensterne rotierten am Anfang so schnell, dass das Magnetfeld mit sich selbst in Wechselwirkung tritt. Der Magnetar bremst sich daher sehr schnell sehr stark ab und dabei werden gigantische Mengen an Röntgenstrahlung frei. Auch hier möchte man nicht in der direkten Nachbarschaft leben.

Exkurs: Gravitationswellen

Die den Neutronensternen innewohnende Energie ist schier unglaublich, wie man zuletzt bei der Kollision zweier Neutronenstern feststellen konnte. Durch dieses Ereignis wurde der Raum selbst verbogen und dies hat sich als Wellen durch das All ausgebreitet, vergleichbar mit den Wellen auf einem Teich, nachdem man ein Steinchen hineingeworfen hat. Am 17. August 2017 konnte wir mit den neuen Gravitationswellendetektoren LIGO in den USA die Kollision zweier Neutronensterne in 130 Millionen Lichtjahren Entfernung beobachten.

Noch mal zum Mitstaunen: Die Kollision hat vor 130 Millionen Jahre in einer unvorstellbaren Entfernung in einer anderen Galaxie stattgefunden und wir können hier noch die Verzerrung des Raums messen. Ich möchte so etwas nicht aus nächster Nähe erleben.

Die Wissenschaft geht davon aus, dass im Kern eines Neutronensterns unter dem herrschenden hohen Druck die Neutronen in ihre Elementarteilchen zerfallen und der Kern daher aus einem Quarks-Gluonen Plasma und allen möglichen Formen nicht-normaler, also sogenannter exotischer Materie besteht. Wenn man diesen Gedanken weiterverfolgt sind bei entsprechender Dichte auch ganze Himmelskörper aus dieser exotischen Materie denkbar. Diese nennt man Quarksterne. Allerdings haben wir für Quarksterne noch keinen Nachweis erbringen können, da sich ihre sonstigen Eigenschaften nicht von denen der Neutronensterne unterscheiden. Es gibt allerdings einige Kandidaten in sogenannten Röntgendoppelsternsystemen.

Wenn die Masse und die Dichte dieser kompakten Objekte weiter zunehmen, kommt irgendwann der Punkt, an dem die eigene Schwerkraft die abstoßenden Wechselwirkungskräfte der Elementarteilchen übersteigt und der Kollaps zu einem Schwarzen Loch beginnt. Diesen Punkt nennt man Tolman-Oppenheimer-Volkoff-Grenze. Aktuell gehen wir von ca. 3 Sonnenmassen aus, ab der ein Schwarzes Loch gebildet wird. Über das Innere eines Schwarzen Lochs wissen wir nicht viel, denn die Mathematik versagt am Ereignishorizont. Hier nehmen verschiedene Terme in den Gleichungen unendliche Werte an und mit Unendlich lässt sich nicht gut rechnen. In Schwarze Löcher kann man also nicht hinein blicken, sie liegen außerhalb unseres Raums und unserer Zeit. Und das muss man wörtlich nehmen, denn aus der Relativitätstheorie können wir ableiten, dass große Massen, genauso wie hohe Geschwindigkeiten, den Lauf der Zeit verlangsamen. Die Eigenzeit eines Objekts wird maximiert, was dazu führt, dass aus der Perspektive eines Beobachters die Zeit dieses Objekts immer langsamer verläuft. Ein Objekt, das in ein Schwarzes Loch fällt, wird für einen Beobachter immer langsamer werden, um dann am Ereignishorizont, der Fläche, ab der selbst das Licht der Gravitation des Schwarzen Lochs nicht mehr entkommen kann, für alle Zeiten zu verharren. Für das Objekt selber ist dies nicht spürbar, es würde noch nicht einmal den Ereignishorizont als besonderen Punkt wahrnehmen. Allerdings ist das eine rein hypothetische Überlegung, denn die Gravitation ist an dieser Stelle bereits so stark, dass alles zerrissen wird. Man spricht von der Spagettisierung der Materie.

Heute gehen wir davon aus, dass im Zentrum fast jeder Galaxie ein gigantisches Schwarzes Loch lauert und die Sterne der Galaxie dieses Schwarze Loch umkreisen, so wie unser Planet Erde unsere Sonne. Schwarze Löcher kann man natürlich nicht sehen und deswegen ist es mit direkter Beobachtung ein wenig schwierig. Allerdings kann man die Existenz anhand der Bewegung sichtbarer Himmelskörper indirekt nachweisen und auf dem Wege sogar die Masse dieses Schwarzen Lochs bestimmen. So haben wir auch im Zentrum unserer Milchstraße ein Schwarzes Loch, Sagittarius A*, gefunden. Sagittarius A* verfügt über eine Masse von 4 Millionen Sonnen und übt damit eine Scherkraft aus, die die umgebenden Sterne in abenteuerliche Umlaufbahnen zwingt.

Sagittarius A*
Sagittarius A*

4 Millionen Sonnenmassen – wie groß ist dann Sagittarius A*? Nun, von Größe kann man bei einem Schwarzen Loch eigentlich nicht sprechen, denn wir wissen nicht, wie die Masse innerhalb des Schwarzen Lochs verteilt ist. Wie oben gesagt, an der Stelle versagt unsere Physik. Allerdings kann man den Durchmesser des Ereignishorizonts in erster Näherung nach dem Schwarzschild-Radius berechnen und der liegt für Sagittarius A* bei 22 Millionen Kilometern. Das ist ungefähr die halbe Distanz Sonne – Merkur. Das ist also schon ein verdammt großes Loch. Aber Sagittarius A* zählt in der Kategorie der supermassiven Schwarzen Löcher eher zu den Zwergen. In der Galaxie NGC 1277 lauert das bisher größte entdeckte Schwarze Loch. Es verfügt über 17 Billionen Sonnenmassen und vereinigt damit knapp 59 % der gesamten Masse seiner Galaxie in sich. Dieses Monstrum hat einen Radius von 50.212.305.000 Kilometern oder knapp 2 Lichttagen und ist damit bereits um ein Vielfaches größer als unser gesamtes Sonnensystem.
Wahrscheinlich gibt es noch weit größere Schwarze Löcher da draußen, denn das Schicksal einer jeden Galaxie endet irgendwann im Schlund ihres zentralen Schwarzen Lochs. Wir werden daher mit den neuen Möglichkeiten der Gravitationswellenforschung und neuen Weltraumteleskopen wie dem James Webb Space Teleskop der NASA in Zukunft sicher noch einige spannende Entdeckungen machen.


Gravitation – der Motor des Universums

GravitationNach Albert Einstein ist die Gravitation nicht das Resultat einer Kraft, sondern ergibt sich aus der Krümmung der Raumzeit in der Nähe von Masse. Versteht man die Raumzeit als Potenzialfläche, dann versuchen alle Objekte ihre Eigenzeit zu maximieren und alle Objekte bewegen sich entlang dieses Potenzials in Richtung minimal verbrauchter Zeit.
Und warum lautet der Titel dieses Beitrags dann Gravitationskräfte im Universum? Dass scheint ja dann offensichtlich falsch zu sein. Nun, das hat zwei Gründe. Einerseits empfinden wir die Gravitation im Alltag als Kraft und andererseits hat die theoretische Physik die Hoffnung, dass die Gravitation dualen Charakter haben könnte. Denn damit würden wir uns über die Quantengravitation der vereinheitlichten Weltformel nähern und die Widersprüche zwischen Quantenmechanik und Relativitätstheorie auflösen können.

Halt – Stopp, das reicht. Einverstanden, lassen wir das der mit theoretischen Physik, zumindest für den Moment. Ähnlich wie in meinen Beiträgen zu Entfernungen und Größenordnungen in unserem Universum soll es auch in diesem Beitrag möglichst anschaulich um die unglaublichen Kräfte gehen, die die Gravitation – obwohl die schwächste der vier Grundkräfte der Natur – in unserem Universum auslösen kann. Die Gravitation ist die Kraft, die unser Universum am Laufen hält.


Die Evolution hat bei uns Menschen genau die richtige Mischung aus Knochen, Muskeln und Körpermasse für das Gravitationsfeld unseres Heimtplaneten entwickelt. Und wenn wir die richtige Balance aus gesunder Ernährung und ausreichend Bewegung finden, liegt unser Körpergewicht im Durchschnitt bei 75 kg. So fühlen wir uns wohl und agil.
Die Gravitationskonstante der Erde, ein Maß für die Kraft, die die Erde auf uns ausübt, ist als 1 G festgelegt. Genau genommen erzeugt auch unser Körper ein Gravitationsfeld, das auf die Erde wirkt, aber das können wir vernachlässigen.

Nun ist die Erde nur ein kleiner Gesteinsplanet und hat damit eine recht geringe Gravitation. Die 1 G im Schwerefeld der Erde sollen uns dennoch als Eichung dienen, denn wir wissen, wie sich 1 G anfühlt. Schon zwei bis drei G und damit das doppelte bis dreifache Körpergewicht, wie es in einer Achterbahn durch die Beschleunigung verursacht wird, empfinden wir auf Dauer als äußerst unangenehm, denn dafür ist unser Körper nicht geschaffen. 3 G ist auch ungefähr der Wert, der auf der Oberfläche des Jupiters herrscht, sofern man bei einem Gasplaneten überhaupt von einer Oberfläche sprechen kann. Jedenfalls hätten wir größte Schwierigkeiten, uns in diesen Verhältnissen auf Dauer aufrecht zu halten.

Auswirkung der Jupiter Gravitation

Die Gravitation des Jupiters, obwohl an der Oberfläche nur dreimal so groß wie die der Erde, übt einen riesigen Einfluß auf die anderen Himmelskörper in unserem Sonnensystem aus. Er befreit die inneren Bahnen von größeren Asteroiden und Meteoriten und so hat sich überhaupt erst höheres Leben auf der Erde entwickeln können. Die nebenstehende Animation (im .webp Format – ggf. brauchst Du dafür ein Browser-Plugin) zeigt, wie der Jupiter die Bahnen der Asteroiden jenseits der Umlaufbahn des Mars beeinflusst.

Aber weiter zum größten und schwersten Himmelskörper in unserem Sonnensystem. Wenn es uns auf die Oberfläche der Sonne verschlagen würde und wir nicht augenblicklich verbrennen, würden wir qualvoll unter unserem Eigengewicht zerquetscht werden. Bei 28 G im Schwerefeld der Sonne beträgt unser Eigengewicht bereits 2,1 Tonnen, das Gewicht einer Oberklasselimousine. So muss sich ein gestrandeter Wal fühlen – ein qualvoller Tod. Da ist augenblickliches Verbrennen wahrscheinlich die bessere Wahl.

Unsere Sonne ist noch ein recht kleiner Stern und es gibt bedeutend größere Sterne in den Weiten des Alls. In meinem Artikel über die Riesen und Überriesen habe ich Euch einige von ihnen vorgestellt. Diese riesigen Sterne haben auch bedeutend mehr Masse als unsere Sonne, aber am Ende zählt für die Gravitation an der Oberfläche in erster Näherung die Dichte. Beteigueze beispielsweise ist zwanzig mal so schwer wie unsere Sonne, aber ca. 1000mal größer. Die Gravitation direkt an der Oberfläche dieses roten Monsters liegt daher nur bei 0,0003 G. Das ist weniger als bei einigen der bekannten Asteroiden in unserem Sonnensystem.

Exkurs: Physik der Gravitation

Die Gravitationswirkung einer idealen Kugel, und Sterne und Planeten können in erster Näherung so betrachtet werden, ist gemäß Newtons Gesetz der Gravitation nur abhängig von der Masse und dem Abstand zum Mittelpunkt dieser Kugel. Die Wirkung der Gravitation nimmt jedoch mit dem Quadrat des Abstands ab, sie wird also sehr schnell sehr klein. Für die riesigen Sterne mit ihrer geringen Dichte ist sie geradezu winzig und daher haben Riesensterne auch Schwierigkeiten, ein stabiles Planetensystem auszubilden. Wenn die Erde mit ihrer heutigen Umlaufgeschwindigkeit um die Sonne den roten Überriesen Beteigeuze umkreisen würde, läge die Bahn im Inneren dieses riesigen Sterns.

Die Dichte eines Objekts ist also für die Oberflächengravitation ein relevanter Faktor. Aktive Hauptreihensterne wie unsere Sonne liegen zwischen 20 und 50 G. Aufrechtes Stehen ist bei diesen Verhältnissen völlig unmöglich, denn unser Knochenbau kollabiert ab ca. 11 G. Braune Zwerge, die Leichen ausgebrannter kleinerer Sterne, verfügen bereits über eine Oberflächengravitation zwischen 160 und 300 G. Bei diesen Werten verliert auch massives Metall seine strukturelle Integrität – ab 80 G zerbricht ein Feuerhydrant unter seinem Eigengewicht.

Weiße Zwerge, die vermutlich aus reinem Diamant bestehen, haben an ihrer Oberfläche sagenhafte 400.000 G. Aber selbst dieser extreme Wert stellt noch längst nicht den Rekord dar. Neutronensterne, die extrem dichten Überreste massereicher Sterne nach ihrem Ende als Supernova, erzeugen an ihrer Oberfläche eine Gravitation von 700.000.000.000 G. Hier ist die Gravitationskraft bereits so hoch, dass die Atome selbst kollabieren und die Elektronen in den Atomkern stürzen. Dabei vereinigen sie sich mit den Protonen zu Neutronen und geben damit diesen extrem dichten Himmelskörpern ihren Namen.

Und die Reihe geht weiter. Quarksterne haben einen G-Wert mit über 30 Stellen. Bei diesen hypothetischen Objekten sind auch die Atomkerne unter der enormen Last zermatscht worden und die Masse besteht aus reinen Elementarteilchen, einem Quark-Gluonen Gemisch. Wenn die Dichte noch weiter zunimmt, formt sich dann ein Schwarzes Loch und die Gravitation wird so stark, dass selbst die masselosen Photonen der Anziehungskraft nicht mehr entkommen können. Allerdings kann man für ein Schwarzes Loch keine sinnvolle Gravitationskonstante mehr mit den Mitteln der Newtonschen Mechanik berechnen. Dies geht nur noch nach der allgemeinen Relativitätstheorie und auch nur bis zum sogenannten Ereignishorizont, dem Abstand zur zentralen Masse des Schwarzen Lochs, ab dem selbst das Licht nicht mehr entkommen kann. Danach werden die Werte unendlich und unsere Physik endet.

Neutronensterne, Quarksterne und Schwarze Löcher sind also sehr seltsame Objekte mit äußerst spannenden Eigenschaften. Ich werde ihnen daher den nächsten Artikel in der Reihe „Unser Universum“ widmen. Bleibt also dabei…


Ein (un)möglicher Sprung

Sprung ins Netz
Leser meines Romans werden jetzt wissend lächeln – ein Sprung aus großer Höhe ohne Fallschirm ist ein gewagtes Unterfangen. Aber manchmal ist es die einzige Möglichkeit, der einzige mögliche Ausweg. Für Luke Aikins, einem international bekannten Fallschirmspringer ist dies allerdings nicht viel mehr als ein gut kalkuliertes Risiko.
Luke Aikins gehört seit vielen Jahren zum illustren Kreis der von Red Bull gesponsorten Extremsportler und war Teil der Crew, die 2012 den Stratosphärensprung von Felix Baumgartner plante und organisierte. Seinen endgültigen Sitz im ewigen Olymp der Extremsportler sicherte sich Luke Aikins im Jahr 2016, als er in 7600 Metetern Höhe aus einem Flugzeug sprang und zwei Minuten später wohlbehalten in einem 30 x 30 Meter kleinen Netz landete. Nach dem Sprung gab er zu, doch ein wenig nervös gewesen zu sein. Na dann…