Wissenschaftler können eine Menge über Neutronensterne und [hypothetische] Quarksterne erfahren, ohne deren inneren Aufbau genau zu kennen. Das ist die Schlussfolgerung zweier Wissenschaftler der Montana State University, die ihre Ergebnisse in der Science-Ausgabe vom 26. Juli 2013 veröffentlicht haben. „Die Sterne könnten die weichsten oder härtesten ihrer Art sein und es würde keine Rolle spielen“, sagte Nicolas Yunes, Assistenzprofessor am Department of Physics der Montana State University in Bozeman.
Der von Yunes und dem Postdoktoranden Kent Yagi entdeckte Grund dafür sind fast universelle Beziehungen zwischen drei wesentlichen Eigenschaften dieser hochgradig komprimierten Sterne. Diese Beziehungen werden Astrophysikern erlauben, etwas über die Form und den Deformationsgrad dieser Sterne zu erfahren, ohne die Einzelheiten ihrer inneren Struktur zu kennen.
Die Beziehungen, beschrieben in Yunes und Yagis Abhandlung mit dem Titel „I Love Q“, bestehen zwischen dem Trägheitsmoment (moment of inertia, „I“), der „Love-Zahl“ und dem Quadrupolmoment („Q“). Die erste Variable beschreibt, wie schnell ein Stern rotieren kann. Je größer der Wert, desto langsamer die Rotationsrate. „Man kann es sich wie drehende Eiskunstläufer vorstellen“, sagte Yagi. „Wenn sie ihre Arme nah an ihre Körper ziehen, verringert sich das Trägheitsmoment der Eiskunstläufer und dadurch rotieren sie schneller. Die Love-Zahl bezieht sich auf auf die Verformbarkeit eines Sterns, wenn er komprimiert wird. Je größer der Wert, desto deformierter ist der Stern. Die dritte Variable, „Q“, verweist auf die sich verändernde Gestalt eines Sterns.
Nach Angaben der MSU-Wissenschaftler würde die Messung von einer dieser drei Variablen Astrophysikern erlauben, die anderen beiden Variablen mit verblüffender Genauigkeit abzuleiten, ohne sie tatsächlich zu messen. „Es spielt keine Rolle, ob der Stern zu verschiedenen Anteilen aus Neutronen, Quarks oder anderen Teilchen besteht. Letztendlich wird die Verformbarkeit des Sterns eine direkte Funktion seines Trägheitsmoments sein“, sagte Yagi. Yunes und Yagi verwendeten mathematische Gleichungen und Computermodelle, um zu entdecken, dass „I“, „Love“ und „Q“ diese universellen Zusammenhänge erfüllen.
Dies ist das erste Mal, dass Yunes und Yagi ihre Arbeit in Science veröffentlicht haben, dem führenden Journal über wissenschaftliche Forschung, Nachrichten und Berichte. Die wöchentliche Publikation wird von rund einer Million Lesern verfolgt. Es ist das akademische Journal der American Association for the Advancement of Science. „Die Veröffentlichung einer Abhandlung in Science genehmigt zu bekommen, ist sehr schwierig“, sagte Yunes. „Es ist eine große Ehre, akzeptiert worden zu sein. Das treibt uns an, weiterhin hart zu arbeiten, um neue, wichtige Entdeckungen zu machen.“
Neutronensterne und [hypothetische] Quarksterne sind extrem dicht. Sie enthalten eine enorme Menge Masse in einem winzigen Radius (Volumen). Deswegen sind sie so dicht, dass sie eine unglaublich starke Gravitationskraft ausüben. „Man stelle sich eine Kugel von der Größe der Sonne vor, die man zusammenpresst, bis sie die Größe von Bozeman hat“, sagte Yunes. „Die Schwerkraft der Sonne, aber mehrere tausendfach verstärkt.“
Astrophysiker glauben, dass diese Sterne Wellen produzieren, die sich durch das Universum bewegen, wenn sie aufeinander zu spiralen und miteinander kollidieren. Die Forscher sagen voraus, dass sie in der Lage sein werden, solche „Gravitationswellen“ bis zum Ende des Jahrzehnts nachzuweisen. Wenn sie Erfolg haben, wäre das eine völlig neue Möglichkeit, das Universum zu verstehen. „Um eine einfache Analogie anzubringen: Diese Wellen sind wie die Klänge des Universums und ihr Nachweis wäre wie der Übergang von Stummfilmen zum modernen Kino“, sagte Yunes einmal.
Yunes und Yagi denken, dass die von ihnen gefundenen I-Love-Q-Beziehungen bei dem Nachweis von Gravitationswellen helfen werden. „Der universelle Zusammenhang könnte beispielsweise verwendet werden, um Einsteins allgemeine Relativitätstheorie zu überprüfen, ohne den Test mit unserem mangelnden Wissen über die innere Struktur der Sterne zu verfälschen“, sagte Yunes. „Man könnte die Zusammenhänge auch benutzen, um zu sagen, ob das beobachtete Objekt ein Neutronenstern oder ein Quarkstern ist. Die Unkenntnis der inneren Struktur von Neutronensternen ist eine Herausforderung für bestimmte astrophysikalische Forschungen, aber die ‚I-Love-Q-Beziehungen‘ zeigen, dass man auch ohne dieses Wissen Fortschritte machen kann“, erklärte Yunes.
(THK)
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