Neutronensterne und Pulsare

Ein Neutronenstern vereint mehr als die Masse der Sonne in einer Kugel von der Größe einer Stadt, gestützt durch Neutronenentartung und Kernkräfte; wenn er rotiert und Strahlung aussendet, sehen wir ihn als Pulsar.

Definition

Ein Neutronenstern ist ein kompaktes Sternenrelikt, das einige Male dichter ist als ein Atomkern, hauptsächlich gestützt durch den Neutronenentartungsdruck und Kernkräfte, und ein Pulsar ist ein schnell rotierender, stark magnetisierter Neutronenstern, der als Strahlungspulse beobachtet wird.

Scope

Das Thema umfasst die Entstehung von Neutronensternen bei Kernkollaps-Supernovae, ihre innere Struktur und die wenig bekannte Zustandsgleichung dichter Materie, die maximale Neutronensternmasse, rotationsgetriebene Pulsare und ihre Nutzung als präzise Uhren sowie die extremen Magnetfelder von Magnetaren.

Core questions

• Wie entstehen Neutronensterne und was stützt sie?
• Wie ist die Materie im Inneren eines Neutronensterns beschaffen?
• Warum senden Pulsare regelmäßige Pulse aus?
• Welche maximale Masse kann ein Neutronenstern haben?

Key concepts

• Neutronenentartung
• Zustandsgleichung
• Pulsar
• magnetischer Dipol
• Spin-down
• Magnetar
• Glitch

Key theories

Neutronenentartung und die Zustandsgleichung dichter Materie

Neutronensterne werden durch den Neutronenentartungsdruck gestützt, der durch die abstoßende Kernkraft versteift wird; ihre Struktur ergibt sich aus der Zustandsgleichung der Materie jenseits der Kerndichte, die die Beziehung zwischen Masse und Radius sowie die maximale Masse festlegt.

Das rotierende magnetische Dipolmodell von Pulsaren

Ein Pulsar ist ein schnell rotierender Neutronenstern, dessen starkes, fehlausgerichtetes Magnetfeld Strahlungsbündel entlang seiner Pole kanalisiert; während der Stern rotiert, streicht der Strahl über die Erde und erzeugt die beobachteten taktmäßigen Pulse, während die magnetische Bremsung die Rotation allmählich verlangsamt.

Mechanisms

Wenn der Eisenkern eines massereichen Sterns kollabiert, verbinden sich Elektronen mit Protonen zu Neutronen, und der Kern prallt zu einem Neutronenstern von etwa zwanzig Kilometern Durchmesser zurück. Die Erhaltung von Drehimpuls und magnetischem Fluss führt dazu, dass er schnell mit einem enormen Magnetfeld rotiert; geladene Teilchen, die entlang der Feldlinien beschleunigt werden, erzeugen gebündelte Strahlung, die als Pulse wahrgenommen wird, während magnetische Drehmomente langsam seine Rotationsenergie abbauen.

Clinical relevance

Neutronensterne sind natürliche Laboratorien für Materie bei supranuklearen Dichten und für starke Gravitationsfelder; Millisekundenpulsare konkurrieren mit Atomuhren und werden verwendet, um die allgemeine Relativitätstheorie zu testen und nach Gravitationswellen zu suchen, und Neutronensternverschmelzungen erzeugen schwere Elemente und nachweisbare Gravitationswellensignale.

History

Baade und Zwicky schlugen Neutronensterne 1934 vor, Oppenheimer und Volkoff modellierten sie 1939, und Jocelyn Bell Burnell entdeckte den ersten Pulsar 1967; Pacini und Gold identifizierten Pulsare bald als rotierende magnetisierte Neutronensterne, ein Bild, das durch den Pulsar im Krebsnebel bestätigt wurde.

Debates

Die Zustandsgleichung des Neutronensterns und die maximale Masse

Das Verhalten von Materie oberhalb der Kerndichte und damit die maximale Neutronensternmasse sowie das mögliche Vorhandensein exotischer Phasen wie Quarkmaterie bleiben ungewiss; Massen- und Radiusmessungen sowie Gravitationswellenbeobachtungen grenzen die Möglichkeiten stetig ein.

Key figures

• Jocelyn Bell Burnell
• Antony Hewish
• Fritz Zwicky
• Franco Pacini

Seminal works

• hewish1968
• shapiro1983

Frequently asked questions

Wie kann etwas so Kleines so schwer sein?

In einem Neutronenstern hat die Gravitation Materie auf Dichten komprimiert, die mit denen eines Atomkerns vergleichbar oder größer sind, sodass ein Teelöffel des Materials Milliarden von Tonnen wiegen würde; dies ermöglicht es, dass mehr als eine Sonnenmasse in einen Radius von nur etwa zehn Kilometern passt.

Warum pulsieren Pulsare so regelmäßig?

Ein Pulsar sendet Strahlung in schmalen Strahlen von seinen magnetischen Polen aus, und da der Neutronenstern schnell und gleichmäßig rotiert, registrieren wir jedes Mal, wenn ein Strahl über die Erde streicht, einen Puls, was Pulsare zu den präzisesten bekannten natürlichen Uhren macht.