FRANKFURT. Wie groß ist ein Neutronenstern? Die bisherigen Schätzungen lagen zwischen 8 und 16 Kilometern Durchmesser. Astrophysikern der Goethe-Universität und des FIAS ist es jetzt gelungen, die Größe von Neutronensternen bis auf 1,5 Kilometer genau zu bestimmen, indem sie einen aufwändigen statistischen Ansatz wählten und Daten aus der Messung von Gravitationswellen zu Hilfe nahmen. Das berichten die Forscher in der aktuellen Ausgabe von Physical Review Letters.

Neutronensterne sind die dichtesten Objekte in unserem Universum. Ihre Masse ist weitaus größer als die unserer Sonne, zusammengeballt in einer vergleichsweise kleinen Kugel, deren Durchmesser mit dem der Stadt Frankfurt vergleichbar ist. Allerdings ist das nur eine grobe Abschätzung. Seit mehr als 40 Jahren gilt die Bestimmung des Radius' von Neutronensternen als eine der grundsätzlichsten Fragen der Astro- und Kernphysik, da aus dieser Größe wichtige Informationen über die fundamentalen Wechselwirkungen von dichter Kernmaterie abgeleitet werden können.

Einen wichtigen Beitrag zur Lösung des Rätsels bieten die Daten aus der Detektion von Gravitationswellen (GW170817), die bei der Verschmelzung von zwei Neutronensternen entstanden sind. Ende letzten Jahres nutzten Prof. Luciano Rezzolla, FIAS und Institut für Theoretische Physik der Goethe-Universität, und seine Studenten Elias Most und Lukas Weih diese Daten bereits, um die maximale Masse von Neutronensternen zu berechnen, bevor sie zu einem schwarzen Loch kollabieren. Das Ergebnis wurde fast zeitgleich von anderen Forschungsgruppen bestätigt. Nun hat dieselbe Gruppe zusammen mit Prof. Jürgen Schaffner-Bielich vom Institut für Theoretische Physik der Goethe-Universität auch strenge Grenzen für die Größe von Neutronensternen ermittelt.

Die Crux des Problems ist, dass die Zustandsgleichung, welche die Materie in Neutronensternen beschreibt, nicht bekannt ist. Die Physiker entschlossen sich deshalb, einen anderen Weg zu gehen: Sie wählten statistische Methoden, um die Größe von Neutronensternen innerhalb enger Grenzen zu bestimmen. Hierzu berechneten sie mehr als zwei Milliarden theoretische Modelle von Neutronensternen, indem sie Einsteins Gleichungen numerisch lösten und diesen riesigen Datensatz mit den Daten der Gravitationswellendetektion GW170817 kombinierten. 

"Ein solcher Ansatz ist nicht unüblich in der theoretischen Physik", sagt Rezzolla und fügt hinzu: "Wir können Unsicherheiten einschränken, indem wir die Ergebnisse für alle möglichen Werte der entsprechenden Parameter analysieren." So ist es den Wissenschaftlern gelungen, den Radius eines typischen Neutronensterns auf 1.5 Kilometer genau anzugeben: Er liegt zwischen 12-13.5 Kilometern- ein Ergebnis, das mit künftigen Detektionen von Gravitationswellen weiter verbessert werden kann.

"Das Ganze birgt allerdings noch eine Tücke, und zwar die Möglichkeit von Zwillingssternen", kommentiert Prof. Schaffner-Bielich. Es ist nämlich möglich, dass bei extrem hohen Dichten ein Phasenübergang stattfindet. Die Materie hat dann plötzlich ganz andere Eigenschaften, so wie Wasser hart wird, wenn es zu Eis gefriert. Im Fall von Neutronensternen wird spekuliert, dass beim Phasenübergang gewöhnliche Materie in "Quarkmaterie" umgewandelt wird. Bezieht man diese Möglichkeit ein, ist noch eine weitere Gleichgewichtslösung der Einsteingleichungen möglich: Ein exotischer Zwilling mit exakt der gleichen Masse und einem deutlich kleineren Radius.

Obwohl es für die Existenz dieser zweiten Klasse von Neutronensternen keine Beweise gibt, sind sie zumindest theoretisch möglich. Das Team um Rezzolla und Schaffner-Bielich hat sie deshalb trotz der zusätzlichen Komplikationen, die mit der Berechnung von Zwillingssternen einhergehen, berücksichtigt. Diese Mühe wurde mit einem unerwarteten Ergebnis belohnt: Zwillingssterne sind statistisch gesehen sehr selten und können während der Verschmelzung zweier Neutronensterne nur wenig verformt werden. Dieses Ergebnis ist deshalb wichtig, weil es Wissenschaftlern durch künftige Beobachtungen erlaubt, die Existenz dieser Zwillinge potentiell auszuschließen. So wird sich mit zuküngtigen Gravitationswellenbeobachtungen zeigen, ob Neutronensterne tatsächlich exotische Zwillinge haben.

Publikation: Elias R. Most, Lukas R. Weih, Luciano Rezzolla, Jürgen Schaffner-Bielich: New constraints on radii and tidal deformabilities of neutron stars from GW17081, https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.120.261103

Informationen: Prof. Dr. Luciano Rezzolla, Institut für Theoretische Physik, Fachbereich Physik und Frankfurt Institute for Advanced Studies, Campus Riedberg, Tel. 069 798 47871, rezzolla_at_fias.uni-frankfurt.de.