Neutronensterne und Pulsare

6 Min. Lesezeit

Steckbrief

Typische Größe	etwa 20 km Durchmesser
Typische Masse	etwa 1,4 Sonnenmassen, bis zu rund 2
Dichte	ein Teelöffel würde etwa eine Milliarde Tonnen oder mehr wiegen
Schwerkraft an der Oberfläche	rund 100 Milliarden Mal so stark wie auf der Erde
Schnellste bekannte Rotation	etwa 716 Umdrehungen pro Sekunde
Erster entdeckter Pulsar	1967, von Jocelyn Bell Burnell
Bekannte Pulsare	mehr als 3.000 (Stand 2026, ungefähr)
Berühmte Verschmelzung	GW170817, beobachtet am 17. August 2017

Kurz gesagt

Ein Neutronenstern ist der kollabierte Kern, der übrig bleibt, wenn ein massereicher Stern als Supernova explodiert.
Er presst mehr Masse als die Sonne in eine Kugel von etwa 20 km Durchmesser und gehört damit zu den dichtesten bekannten Objekten.
Pulsare sind rotierende Neutronensterne, deren Strahlen wie ein Leuchtturm über die Erde streichen; den ersten fand Jocelyn Bell Burnell 1967.
Magnetare sind Neutronensterne mit den stärksten Magnetfeldern im Universum.
2017 beobachtete man die Kollision zweier Neutronensterne sowohl in Gravitationswellen als auch im Licht; dabei entstand eine an schweren Elementen reiche Kilonova.

Was ist ein Neutronenstern?

Wenn einem Stern mit mehr als etwa der achtfachen Sonnenmasse der Brennstoff ausgeht, kollabiert sein Kern in einer Supernova. Liegt der übrig gebliebene Kern bei etwa 1,4 bis rund 2 Sonnenmassen, wird er zu einem Neutronenstern.

Beim Kollaps presst die Schwerkraft Elektronen in Protonen und verwandelt sie in Neutronen, Teilchen ohne elektrische Ladung. Das Ergebnis ist im Grunde ein riesiger Atomkern, der statt von Kernkräften von der Schwerkraft zusammengehalten wird.

Ist der Kern noch schwerer, kann nichts den Kollaps aufhalten, und er wird zu einem Schwarzen Loch. Neutronensterne sind die letzte Station vor diesem Punkt.

Klein, schwer und extrem

Ein typischer Neutronenstern misst nur etwa 20 km, ungefähr so viel wie eine Stadt, und enthält doch mehr Masse als die ganze Sonne. Ein Zuckerwürfel seines Materials würde etwa so viel wiegen wie alle Menschen der Erde zusammen, ein Teelöffel vielleicht eine Milliarde Tonnen.

Die Schwerkraft an der Oberfläche ist so stark, dass ein aus etwa 1 m Höhe fallen gelassenes Objekt mit Millionen km/h auf dem Boden aufschlagen würde. Die Oberfläche ist vermutlich extrem glatt, mit „Bergen“, die keine 2,5 cm hoch sind.

Weil ein kollabierender Kern beim Schrumpfen seinen Drehimpuls behält, wie eine Eiskunstläuferin, die die Arme anzieht, rotieren neugeborene Neutronensterne sehr schnell. Auch ihre Magnetfelder werden auf das Billionenfache des Erdmagnetfelds zusammengepresst.

Pulsare: kosmische Leuchttürme

1967 bemerkte Jocelyn Bell Burnell, damals Doktorandin in Cambridge, in den Daten ihres Radioteleskops ein seltsames, regelmäßiges „bisschen Gekritzel“: Pulse, die alle 1,34 Sekunden eintrafen. Das Signal war so gleichmäßig, dass das Team es scherzhaft LGM-1 nannte, für „little green men“, kleine grüne Männchen.

Bald tauchten weitere Quellen auf, und Astronomen erkannten, dass es rotierende Neutronensterne waren. Nahe den Magnetpolen strömen Radiostrahlen aus, und wenn die Pole gegen die Drehachse geneigt sind, streichen die Strahlen durch den Raum. Trifft einer die Erde, sehen wir bei jeder Umdrehung einen Puls.

Manche Pulsare drehen sich einige Male pro Sekunde; „Millisekundenpulsare“, die durch Gas eines Begleiters auf Touren gebracht wurden, Hunderte Male pro Sekunde. Ihr Ticken ist so regelmäßig, dass es mit Atomuhren mithalten kann, und Astronomen nutzen Gruppen von ihnen, um nach langsamen Wellen in der Raumzeit zu suchen.

Magnetare

Ein Magnetar ist ein Neutronenstern mit einem Magnetfeld, das etwa tausendmal stärker ist als das eines gewöhnlichen Neutronensterns, das stärkste bekannte überhaupt. Ein solches Feld könnte eine Kreditkarte aus etwa halber Mondentfernung löschen und Atome nahe dem Stern verformen.

Spannungen in der Kruste können reißen und plötzliche Ausbrüche von Röntgen- und Gammastrahlen freisetzen. Im Dezember 2004 war ein Riesenausbruch des etwa 50.000 Lichtjahre entfernten Magnetars SGR 1806−20 so stark, dass er die obere Erdatmosphäre messbar beeinflusste.

Magnetare werden auch mit manchen schnellen Radioblitzen in Verbindung gebracht, kurzen und sehr hellen Radioblitzen. 2020 wurde einer auf einen Magnetar in unserer eigenen Galaxie zurückgeführt.

GW170817: als zwei Neutronensterne kollidierten

Am 17. August 2017 zeichneten die Detektoren LIGO und Virgo Gravitationswellen auf, winzige Wellen im Raum selbst, von zwei Neutronensternen, die etwa 130 Millionen Lichtjahre entfernt umeinander kreisten und verschmolzen. Etwa 1,7 Sekunden später fing der NASA-Satellit Fermi einen kurzen Gammastrahlenblitz aus derselben Himmelsregion auf.

Innerhalb weniger Stunden fanden Teleskope einen neuen Lichtpunkt in der Galaxie NGC 4993. Es war eine Kilonova, ein Leuchten, angetrieben von radioaktivem Material, das bei dem Zusammenstoß ausgeschleudert wurde, und sie wurde in allen Wellenlängen von Gammastrahlen bis Radio beobachtet.

Die Spektren zeigten, dass solche Verschmelzungen schwere Elemente erzeugen, wahrscheinlich auch Gold und Platin. Es war das erste Mal, dass ein einzelnes kosmisches Ereignis sowohl mit Gravitationswellen als auch mit Licht untersucht wurde, ein Gebiet, das heute Multi-Messenger-Astronomie heißt.

Kann ich einen Neutronenstern sehen?

Neutronensterne sind viel zu klein und lichtschwach, um sie mit bloßem Auge oder einem Gartenteleskop als einzelne Objekte zu sehen. Ihre Umgebung können Sie aber betrachten.

Der Krebsnebel (M1) im Stier enthält einen Pulsar, der sich etwa 30-mal pro Sekunde dreht; im kleinen Teleskop sehen Sie die leuchtende Wolke, nicht den Pulsar. Große Profiteleskope können sein Blinken aufzeichnen.

Viele Radioastronomie-Vereine und Hochschulprogramme lassen die Öffentlichkeit Pulsarsignale anhören, die in Töne umgewandelt wurden, eine eindrucksvolle Art, einen toten Stern ticken zu hören.