Forscher haben einen neuen Weg gefunden, um einige der katastrophalsten Fusionsereignisse im Universum zu erkennen, bevor sie passieren.
Neutronensterne, die extrem dichten Kerne massereicher toter Sterne, die sich spiralförmig aufeinander zu oder in ein Schwarzes Loch hinein bewegen, können in den Ozeanen schwerer geladener Teilchen, die Neutronensterne umgeben, Flutwellen auslösen. Die Forscher entdeckten, dass sich diese Flutwellen durch regelmäßige Ausbrüche elektromagnetischer Strahlung manifestieren, die als Frühwarnsystem für bevorstehende Fusionen dienen könnten.
Neutronensterne sind wahrscheinlich die extremsten Objekte im Universum. Ja, Schwarze Löcher mögen exotischer sein, aber sie sind relativ einfach – sie haben einfach eine große Schwerkraft. Im Gegensatz dazu sind Neutronensterne im Wesentlichen riesige Atomkerne, und dies beinhaltet eine interessante und komplexe Physik, die Schwarze Löcher nicht haben.
Ein typischer Neutronenstern hat einen Durchmesser von nur wenigen Kilometern, kann aber ein Mehrfaches der Sonnenmasse wiegen. Sie bestehen fast ausschließlich aus Neutronen (daher der Name), enthalten aber Populationen freier Elektronen, Protonen und Ionen schwerer Kerne. Sie werden aus Supernovae – den Explosionen sterbender massereicher Sterne – geboren und einige von ihnen enthalten möglicherweise die stärksten Magnetfelder im gesamten Universum.
Das Innere von Neutronensternen ist am mysteriösesten, weil der Druck und die Dichte so groß sind, dass sie unser derzeitiges physikalisches Wissen übersteigen. Einige Modelle legen nahe, dass Kerne einfach ein gleichförmiger Strom von Neutronen sind, während andere darauf hindeuten, dass die Neutronen selbst in ihre Quarks zerfallen. Hinter dem inneren Kern befindet sich eine harte, glatte Neutronenmasse, die sich langsam in komplexere Muster wie Blöcke und Fäden umwandelt, die zusammen als Kernpaste bekannt sind.
Es wird angenommen, dass die äußere Kruste eines Neutronensterns aus supraflüssigen Elektronen und Neutronen besteht, die einem Kristallgitter weichen, wenn sie sich der Oberfläche nähern. Schließlich gibt es noch den Ozean – eine Schicht aus flüssigen Elektronen, Neutronen und Ionen in einer Tiefe von 10 bis 100 m.
Die extrem exotische Natur der Materie unter diesen Bedingungen – superfluide Neutronen kommen normalerweise nicht einfach vor – macht Neutronensterne zu erstklassigen Kandidaten für das Studium der extremen Physik. Diese Idee wurde nach der Entdeckung von GW 170817 verfeinert, einem Gravitationswellensignal, das zusammen mit der elektromagnetischen Emission zweier verschmelzender Neutronensterne nachgewiesen wurde. Kodetektion, Multi-Messenger-Astronomie genannt, ermöglicht es Physikern, die Kerne von Neutronensternen wie nie zuvor zu untersuchen.
Aber seit Gravitationswellen im Jahr 2017 erstmals entdeckt wurden, haben wir keine anderen Verschmelzungsereignisse von Neutronensternen mehr gesehen, was enttäuschend ist, da Neutronensterne eines der besten Labors der Natur zum Testen der Hochenergiephysik sind.
Aber jetzt könnte eine neue Methode zur Beobachtung des exotischen Verhaltens von Neutronensternen bedeuten, dass wir nicht mehr lange warten müssen. Das neue Papier, das im Mai in der Preprints-Datenbank arXiv veröffentlicht wurde, konzentriert sich auf die Ozeane von Neutronensternen, die neben freien Elektronen und Neutronen auch Kohlenstoff, Sauerstoff und Eisen enthalten können. Obwohl die Ozeane im Vergleich zur gesamten Tiefe des Neutronensterns relativ flach sind, sind sie die äußere Schicht (die unglaublich dünne "Atmosphäre" nicht mitgerechnet) und der Teil des Neutronensterns, der am ehesten auf das äußere Universum reagiert.
Insbesondere fanden die Forscher heraus, dass diese flachen Ozeane Gezeiten wie Ozeane auf der Erde unterstützen können. Aber um die Flut auf einem Neutronenstern zu erhöhen, ist viel mehr Gravitationskraft erforderlich, um all diese extreme Schwerkraft zu überwinden. Gezeiten in Neutronensternen treten nur auf, wenn sich der Neutronenstern nahe genug an einem massiven, dichten Objekt wie einem anderen Neutronenstern oder einem Schwarzen Loch befindet.
Glücklicherweise sind solche Doppelsterne relativ häufig, da sich Sterne normalerweise in mehreren Systemen bilden und dann ihren Lebenszyklus durchlaufen, wobei sie schließlich Kombinationen aus Schwarzen Löchern und Neutronensternen zurücklassen.
Wenn ein Neutronenstern beginnt, mit einem anderen Neutronenstern oder Schwarzen Loch zu verschmelzen, schrauben sich die Objekte über mehrere Jahre langsam zusammen. Während sie sich drehen, entziehen Gravitationswellen dem System Energie und ziehen das Paar näher zusammen. Schließlich ist die Fusion in den letzten Momenten in Sekundenschnelle abgeschlossen.
Aber bevor das passiert, kann der umlaufende Satellit eine Reihe von Resonanzfluten auf dem Neutronenstern auslösen. Diese Gezeiten können eine Frequenz von bis zu 100 Megahertz aufrechterhalten und bis zu satte 10^29 Joule Energie transportieren. Um Ihnen eine Vorstellung davon zu geben, wie groß diese Zahl ist: Die gesamte Menschheit verbraucht jedes Jahr nur 10^20 Joule. Die Resonanzwelle eines einzelnen Neutronensterns hat mehr Energie als die gesamte Strahlung der Sonne seit 10 Jahren.
Im Gegensatz zu Meereswellen bestehen diese Gezeiten aus einem Ozean aus Plasma. Die extremen elektrischen Ladungen bedeuten, dass die Gezeiten intensive Ausbrüche elektromagnetischer Strahlung aussenden können, die uns als Röntgen- und Gammastrahlenausbrüche erscheinen können.
Basierend auf ihren Berechnungen schätzten die Forscher, dass Weltraumobservatorien wie das Fermi Space Gamma-ray Telescope und das Nuclear Spectroscopic Telescope Array (NuSTAR) jedes Jahr mehrere Neutronensterne entdecken könnten und dass diese Signale bis zu mehreren Jahren vor dem Finale erscheinen würden Zusammenschluss.
Mit dieser Warnung können Astronomen ihre Teleskope und Observatorien darauf vorbereiten, den Moment der Verschmelzung selbst zu erfassen und in noch wertvollere elektromagnetische und Gravitationswellendaten einzutauchen.
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