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Raumzeit - Vlog der Zukunft, Neutronensterne, Pulsare und Magnetare (2018)

Neutronensterne, Pulsare und Magnetare (2018)

Neutronensterne gehören zu den bizarrsten Gebilden des Weltraums. Sie werden geboren,

wenn ein massereicher Stern in einer Supernova explodiert und sein Kern in sich zusammenfällt.

Sie sind Objekte von unfassbarer Dichte, deren Gravitation beängstigend starke Wirkung entfaltet.

Wir zeigen euch heute, wie Neutronensterne entstehen und was sie so beeindruckend macht.

Ich bin Ronny. Willkommen bei Raumzeit.

Als wir über Supernovae sprachen, erklärten wir, dass es bei einem Stern jenseits von 8-10 Sonnenmassen zu einem Kernkollaps kommt,

sobald dieser sein Silizium zu Eisen fusioniert hat. Bei einem masseärmeren Stern verhindert

eine Kraft, die Physiker Entartungsdruck von Elektronen nennen, einen weiteren Zusammenfall

der Materie. Was ist Entartungsdruck? Elektronen umkreisen

den Nukleus eines Atoms. Entartungsdruck bedeutet, dass sich die Elektronen dagegen wehren, dass

andere Partikel in den Raum eindringen, den sie besetzen. Und das ist viel Raum. Wenn

wir uns vorstellen, dass ein Atomkern ein Reiskorn in der Mitte Kathedrale wäre, dann

würden die Elektronen den Raum der gesamten Kathedrale einnehmen. Ein Atom besteht also

vor allem aus Nichts - die starke Kernkraft aber hält es zusammen und Entartungsdruck

sorgt dafür, dass nichts anderes in den Raum des Atoms eindringen kann. Dieser Entartungsdruck

lässt weiße Zwerge entstehen ... aber was ist, wenn der Druck auf die Atome noch stärker

wird ... Kollabiert der Eisenkern eines Sternes mit

10-20 Sonnenmassen, stürzt er unter seiner gewaltigen eigenen Gravitation zusammen. Der

Entartungsdruck der Elektronen der Eisenatome kann dieser Kraft nicht standhalten. Die Atomkerne

selbst werden zerstört und freie Elektronen verbinden sich mit Protonen zu Neutronen.

Diese Neutronen besitzen noch immer die Masse des Atoms - aber sie sind um Größenordnungen

kleiner. Aus Fußballstadien wurden Reiskörner. Reiskörner, die jetzt genauso viel wiegen

wie vorher das Fußballstadion. Wenn der Kern weniger als 2,8 Sonnenmassen

hatte - nur der Kern, nicht der ganze Stern - dann hört der Kollaps hier auf (weißer

Zwerg). Die neu formierten Neutronen üben ebenfalls einen Entartungsdruck aus - und

dieser ist stark genug, um einen weiteren Zusammenfall zu verhindern. Das nun entstandene

Material nennt man in der Astrophysik Neutronium. Der Kern des Sterns ist zu diesem Zeitpunkt

auf die Größe einer Stadt wie München zusammen gefallen - 15-30 km Durchmesser, mehr bleibt

vom ursprünglichen Stern nicht über. Das nun entstandene, unfassbar dichte Objekt besteht

nahezu vollständig aus dicht an dicht gepackten Neutronen. Und wir nennen es einen Neutronenstern.

Der neu geborene Neutronenstern mit seinen 15, 20 km Durchmesser ist massereich jenseits

unserer Vorstellungskraft - stellen wir uns mal vor, wir würden den gesamten Planeten

Erde - alle Ozeane, alle Gebirge, den gesamten Erdball - in eine Kugel von 20km Durchmesser

komprimieren, dann würde das nicht ausreichen. Nicht im geringsten. Ein Neutronenstern verfügt

über die Gesamtmasse unserer Sonne und mehr - zusammengepresst auf die Größe einer Stadt.

Um das ein bisschen bildlicher darzustellen - 1 Teelöffel voll Neutronenstern hätte

eine Masse von etwa 400 Millionen Tonnen! Das entspricht ganz grob der Gesamtmasse aller

Menschen auf der Erde. Ein Teelöffel. Oder ein anderer Vergleich: alle 2018 in Deutschland

zugelassenen Autos, LKWs und Eisenbahnen würden es nicht auf die Masse eines Teelöffels voll

Neutronium bringen. Allein das macht einen Neutronenstern schon angsteinflößend. Aber

es geht weiter. Die Masse und der kleine Radius eines Neutronensterns

erzeugen eine absurde Gravitation. Sie ist so stark, dass die höchsten Gebirge auf einem

Neutronenstern 5 Millimeter hoch sind. Um dem Gravitationsfeld eines Neutronensterns

zu entkommen, muss ich ein Drittel bis zur halben Lichtgeschwindigkeit erreichen. Und

wieder etwas bildlicher: könnte ich auf einem Neutronenstern von einem 1 Meter hohen Tisch

springen - was ich natürlich nicht kann, weil sowohl ich als auch der Tisch sofort

Atombrei wären - könnte ich aber von einem 1 Meter hohen Tisch springen, dann würde

ich nach einem Meter Fall mit ca. 5 Millionen Stundenkilometer aufschlagen.

Diese extremen Sterne wurden 1967 von Jocelyn Bell entdeckt, die ein regelmäßiges Funksignal

beobachtete - dieses erschien präzise alle 1,3374 Sekunden. Wenig später erkannte man,

dass es sich bei dem Signal um die Emissionen eines Neutronensterns handelte, der als Pulsar

- als Pulsating Star bezeichnet wurde. Später konnten wir Pulsare ausmachen, die sich noch

viel schneller drehten, teilweise im Millisekundenbereich. Woher kommt diese Rotationsgeschwindigkeit?

Wir müssen dazu wissen, dass in der Physik des Gesetz der Drehimpulserhaltung gilt. Das

heißt, die Rotationsgeschwindigkeit eines Objektes bleibt gleich - auch wenn sich z.B.

der Radius des rotierenden Körpers ändert. Wird er kleiner, muss das Objekt aufgrund

der Drehimpulserhaltung schneller rotieren. Dies lässt sich sehr gut bei Pirouetten von

Eiskunstläufern beobachten. Schauen wir mal der tollen Julia Lipnitskaja zu: ihre Pirouette

beginnt mit einer weiten Arm- und Beinhaltung. Sobald sie aber Arme und Beine näher an ihr

Körperzentrum, die Rotationsachse, zieht - nimmt ihre Rotationsgeschwindigkeit zu.

Der Drehimpuls des Systems Julia wurde erhalten. Das können wir auf einen Stern übertragen,

der in einer Supernova detoniert. Der Gesamtdrehimpuls des Sterns - mit einst hunderten Millionen

von Kilometern Durchmesser - bleibt erhalten, wenn sich der Radius auf die 10 Kilometer

eines Neutronensterns reduziert. Der schnellste uns bekannte Pulsar, PSR J1748-2446ad, rotiert

716 mal pro Sekunde. Dabei hat seine Oberfläche eine Geschwindigkeit von 70.000 km/s - ungefähr

ein Viertel der Lichtgeschwindigkeit. Aufgrund ihrer absurden Rotationsgeschwindigkeiten

sind Pulsare äußerst magnetisch. Ihr Magnetfeld erreicht zehntausende bis Millionen Tesla

- zum Vergleich, ein MRI-Gerät im Krankenhaus arbeitet mit 3- 7 Tesla. Dabei muss das Magnetfeld

des Neutronensterns nicht an der Rotationsachse ausgerichtet sein. Wenn es verschoben ist,

und die Achse des Magnetfeldes auf die Erde zeigt, können wir die regelmäßigen Signale

des Neutronensterns sehen. Diese Neutronensterne nennen wir dann Pulsare und ihre Pulse kommen

so unfassbar regelmäßig, dass es momentan Anstrengungen gibt, ein ganz neues, quasi

galaktisches GPS (eher PPS) auf der Basis von Pulsaren zu errichten.

Wo wir gerade über Magnetfelder sprechen. Auch das Magnetfeld des Sterns unterliegt

- genau wie der Drehimpuls - der Erhaltungsregel. Daher beziehen Neutronensterne ihre extrem

starken Magnetfelder. In manchen Fällen aber führen komplexe - noch nicht ganz verstandene

Prozesse im Inneren des Neutronensterns zu besonders starken Magnetfeldern. Solche Monstren

nennen wir Magnetare - und sie gewinnen den Preis für magnetischste Objekte im gesamten

Universum. Ihre Magnetfelder erhitzen die Oberfläche des Sterns auf bis zu 18 Millionen

Grad und ihre Feldstärke kann bis zu 10 hoch 12 Tesla erreichen - 1000 Billionen Mal stärker

als das der Erde. Wäre ein Magnetar auf Höhe des Mars, könnte

er alle Kreditkarten auf der Erde löschen. Unbeindruckt? In etwa 1000 km Entfernung von

einem Magnetar können keine Molekülbindungen mehr existieren - in dieser Distanz würden

sich Raumschiffe und deren Besatzung ... irgendwie einfach auflösen.

In der Milchstraße schätzt man die Zahl der Neutronensterne auf etwa 100 Millionen.

Die meisten von ihnen haben allerdings ihre Energie verbraucht, sind kalt und dunkel und

rotieren nur noch langsam. Die aktiven allerdings bieten teils beeindruckende Anblicke. Erinnert

ihr euch noch an die Supernova von 1054? Deren Überreste kennen wir heute als den über

10 Lichtjahre großen Krebsnebel. Schauen wir nochmal genauer hin. Hier - tief im Zentrum

des Nebels - wie eine Spinne in ihrem Netz - sitzt ein Neutronenstern, der vor fast 1000

Jahren in der Supernova SN1054 geboren wurde. Dieser alle 33ms pulsierende Neutronenstern

ist noch immer aktiv - und er taucht den gesamten Krebsnebel um sich herum - den 10 Lichtjahre

großen Krebsnebel - in goldenes Licht. Um den Pulsar erkennen wir eine Scheibe aus äquatorialem

Wind, aus seinen Polen ströme Lichtjahre lange Jets aus Materie und Antimaterie.

Ich hoffe, ihr seid jetzt nicht nur von Neutronensternen beeindruckt sondern auch von unserem Video.

Wenn das so ist, dann abonniert Raumzeit, vergesst die kleine Glocke nicht, um kein

Video zu verpassen, teilt unser Video auf Facebook und Twitter und holt euch zwischendurch

einen kleinen Snack. Wir sehen uns wieder in einer Woche, wenn wir auf die Suche nach

der Unsterblichkeit gehen. In diesem Sinne, danke fürs Zuschauen und 42!

Neutronensterne, Pulsare und Magnetare (2018) Neutron stars, pulsars and magnetars (2018) Estrellas de neutrones, púlsares y magnetares (2018) Étoiles à neutrons, pulsars et magnétars (2018) 중성자별, 펄서, 그리고 마그네타 (2018) Estrelas de neutrões, pulsares e magnetares (2018)

Neutronensterne gehören zu den bizarrsten Gebilden des Weltraums. Sie werden geboren,

wenn ein massereicher Stern in einer Supernova explodiert und sein Kern in sich zusammenfällt.

Sie sind Objekte von unfassbarer Dichte, deren Gravitation beängstigend starke Wirkung entfaltet.

Wir zeigen euch heute, wie Neutronensterne entstehen und was sie so beeindruckend macht.

Ich bin Ronny. Willkommen bei Raumzeit.

Als wir über Supernovae sprachen, erklärten wir, dass es bei einem Stern jenseits von 8-10 Sonnenmassen zu einem Kernkollaps kommt,

sobald dieser sein Silizium zu Eisen fusioniert hat. Bei einem masseärmeren Stern verhindert

eine Kraft, die Physiker Entartungsdruck von Elektronen nennen, einen weiteren Zusammenfall

der Materie. Was ist Entartungsdruck? Elektronen umkreisen

den Nukleus eines Atoms. Entartungsdruck bedeutet, dass sich die Elektronen dagegen wehren, dass

andere Partikel in den Raum eindringen, den sie besetzen. Und das ist viel Raum. Wenn

wir uns vorstellen, dass ein Atomkern ein Reiskorn in der Mitte Kathedrale wäre, dann

würden die Elektronen den Raum der gesamten Kathedrale einnehmen. Ein Atom besteht also

vor allem aus Nichts - die starke Kernkraft aber hält es zusammen und Entartungsdruck

sorgt dafür, dass nichts anderes in den Raum des Atoms eindringen kann. Dieser Entartungsdruck

lässt weiße Zwerge entstehen ... aber was ist, wenn der Druck auf die Atome noch stärker

wird ... Kollabiert der Eisenkern eines Sternes mit

10-20 Sonnenmassen, stürzt er unter seiner gewaltigen eigenen Gravitation zusammen. Der

Entartungsdruck der Elektronen der Eisenatome kann dieser Kraft nicht standhalten. Die Atomkerne

selbst werden zerstört und freie Elektronen verbinden sich mit Protonen zu Neutronen.

Diese Neutronen besitzen noch immer die Masse des Atoms - aber sie sind um Größenordnungen

kleiner. Aus Fußballstadien wurden Reiskörner. Reiskörner, die jetzt genauso viel wiegen

wie vorher das Fußballstadion. Wenn der Kern weniger als 2,8 Sonnenmassen

hatte - nur der Kern, nicht der ganze Stern - dann hört der Kollaps hier auf (weißer

Zwerg). Die neu formierten Neutronen üben ebenfalls einen Entartungsdruck aus - und

dieser ist stark genug, um einen weiteren Zusammenfall zu verhindern. Das nun entstandene

Material nennt man in der Astrophysik Neutronium. Der Kern des Sterns ist zu diesem Zeitpunkt

auf die Größe einer Stadt wie München zusammen gefallen - 15-30 km Durchmesser, mehr bleibt

vom ursprünglichen Stern nicht über. Das nun entstandene, unfassbar dichte Objekt besteht

nahezu vollständig aus dicht an dicht gepackten Neutronen. Und wir nennen es einen Neutronenstern.

Der neu geborene Neutronenstern mit seinen 15, 20 km Durchmesser ist massereich jenseits

unserer Vorstellungskraft - stellen wir uns mal vor, wir würden den gesamten Planeten

Erde - alle Ozeane, alle Gebirge, den gesamten Erdball - in eine Kugel von 20km Durchmesser

komprimieren, dann würde das nicht ausreichen. Nicht im geringsten. Ein Neutronenstern verfügt

über die Gesamtmasse unserer Sonne und mehr - zusammengepresst auf die Größe einer Stadt.

Um das ein bisschen bildlicher darzustellen - 1 Teelöffel voll Neutronenstern hätte

eine Masse von etwa 400 Millionen Tonnen! Das entspricht ganz grob der Gesamtmasse aller

Menschen auf der Erde. Ein Teelöffel. Oder ein anderer Vergleich: alle 2018 in Deutschland

zugelassenen Autos, LKWs und Eisenbahnen würden es nicht auf die Masse eines Teelöffels voll

Neutronium bringen. Allein das macht einen Neutronenstern schon angsteinflößend. Aber

es geht weiter. Die Masse und der kleine Radius eines Neutronensterns

erzeugen eine absurde Gravitation. Sie ist so stark, dass die höchsten Gebirge auf einem

Neutronenstern 5 Millimeter hoch sind. Um dem Gravitationsfeld eines Neutronensterns

zu entkommen, muss ich ein Drittel bis zur halben Lichtgeschwindigkeit erreichen. Und

wieder etwas bildlicher: könnte ich auf einem Neutronenstern von einem 1 Meter hohen Tisch

springen - was ich natürlich nicht kann, weil sowohl ich als auch der Tisch sofort

Atombrei wären - könnte ich aber von einem 1 Meter hohen Tisch springen, dann würde

ich nach einem Meter Fall mit ca. 5 Millionen Stundenkilometer aufschlagen.

Diese extremen Sterne wurden 1967 von Jocelyn Bell entdeckt, die ein regelmäßiges Funksignal

beobachtete - dieses erschien präzise alle 1,3374 Sekunden. Wenig später erkannte man,

dass es sich bei dem Signal um die Emissionen eines Neutronensterns handelte, der als Pulsar

- als Pulsating Star bezeichnet wurde. Später konnten wir Pulsare ausmachen, die sich noch

viel schneller drehten, teilweise im Millisekundenbereich. Woher kommt diese Rotationsgeschwindigkeit?

Wir müssen dazu wissen, dass in der Physik des Gesetz der Drehimpulserhaltung gilt. Das

heißt, die Rotationsgeschwindigkeit eines Objektes bleibt gleich - auch wenn sich z.B.

der Radius des rotierenden Körpers ändert. Wird er kleiner, muss das Objekt aufgrund

der Drehimpulserhaltung schneller rotieren. Dies lässt sich sehr gut bei Pirouetten von

Eiskunstläufern beobachten. Schauen wir mal der tollen Julia Lipnitskaja zu: ihre Pirouette

beginnt mit einer weiten Arm- und Beinhaltung. Sobald sie aber Arme und Beine näher an ihr

Körperzentrum, die Rotationsachse, zieht - nimmt ihre Rotationsgeschwindigkeit zu.

Der Drehimpuls des Systems Julia wurde erhalten. Das können wir auf einen Stern übertragen,

der in einer Supernova detoniert. Der Gesamtdrehimpuls des Sterns - mit einst hunderten Millionen

von Kilometern Durchmesser - bleibt erhalten, wenn sich der Radius auf die 10 Kilometer

eines Neutronensterns reduziert. Der schnellste uns bekannte Pulsar, PSR J1748-2446ad, rotiert

716 mal pro Sekunde. Dabei hat seine Oberfläche eine Geschwindigkeit von 70.000 km/s - ungefähr

ein Viertel der Lichtgeschwindigkeit. Aufgrund ihrer absurden Rotationsgeschwindigkeiten

sind Pulsare äußerst magnetisch. Ihr Magnetfeld erreicht zehntausende bis Millionen Tesla

- zum Vergleich, ein MRI-Gerät im Krankenhaus arbeitet mit 3- 7 Tesla. Dabei muss das Magnetfeld

des Neutronensterns nicht an der Rotationsachse ausgerichtet sein. Wenn es verschoben ist,

und die Achse des Magnetfeldes auf die Erde zeigt, können wir die regelmäßigen Signale

des Neutronensterns sehen. Diese Neutronensterne nennen wir dann Pulsare und ihre Pulse kommen

so unfassbar regelmäßig, dass es momentan Anstrengungen gibt, ein ganz neues, quasi

galaktisches GPS (eher PPS) auf der Basis von Pulsaren zu errichten.

Wo wir gerade über Magnetfelder sprechen. Auch das Magnetfeld des Sterns unterliegt

- genau wie der Drehimpuls - der Erhaltungsregel. Daher beziehen Neutronensterne ihre extrem

starken Magnetfelder. In manchen Fällen aber führen komplexe - noch nicht ganz verstandene

Prozesse im Inneren des Neutronensterns zu besonders starken Magnetfeldern. Solche Monstren

nennen wir Magnetare - und sie gewinnen den Preis für magnetischste Objekte im gesamten

Universum. Ihre Magnetfelder erhitzen die Oberfläche des Sterns auf bis zu 18 Millionen

Grad und ihre Feldstärke kann bis zu 10 hoch 12 Tesla erreichen - 1000 Billionen Mal stärker

als das der Erde. Wäre ein Magnetar auf Höhe des Mars, könnte

er alle Kreditkarten auf der Erde löschen. Unbeindruckt? In etwa 1000 km Entfernung von

einem Magnetar können keine Molekülbindungen mehr existieren - in dieser Distanz würden

sich Raumschiffe und deren Besatzung ... irgendwie einfach auflösen.

In der Milchstraße schätzt man die Zahl der Neutronensterne auf etwa 100 Millionen.

Die meisten von ihnen haben allerdings ihre Energie verbraucht, sind kalt und dunkel und

rotieren nur noch langsam. Die aktiven allerdings bieten teils beeindruckende Anblicke. Erinnert

ihr euch noch an die Supernova von 1054? Deren Überreste kennen wir heute als den über

10 Lichtjahre großen Krebsnebel. Schauen wir nochmal genauer hin. Hier - tief im Zentrum

des Nebels - wie eine Spinne in ihrem Netz - sitzt ein Neutronenstern, der vor fast 1000

Jahren in der Supernova SN1054 geboren wurde. Dieser alle 33ms pulsierende Neutronenstern

ist noch immer aktiv - und er taucht den gesamten Krebsnebel um sich herum - den 10 Lichtjahre

großen Krebsnebel - in goldenes Licht. Um den Pulsar erkennen wir eine Scheibe aus äquatorialem

Wind, aus seinen Polen ströme Lichtjahre lange Jets aus Materie und Antimaterie.

Ich hoffe, ihr seid jetzt nicht nur von Neutronensternen beeindruckt sondern auch von unserem Video.

Wenn das so ist, dann abonniert Raumzeit, vergesst die kleine Glocke nicht, um kein

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einen kleinen Snack. Wir sehen uns wieder in einer Woche, wenn wir auf die Suche nach

der Unsterblichkeit gehen. In diesem Sinne, danke fürs Zuschauen und 42!