Fragen Sie Ethan: Wie wirkt sich Rotation auf die Form von Pulsaren aus?

Ein Neutronenstern ist eine der dichtesten Formen von Materie im Universum, aber seine Masse hat eine Obergrenze. Bei Überschreitung fällt ein Neutronenstern in ein Schwarzes Loch

Es gibt nur wenige feste Objekte im Universum; Fast alle uns bekannten Körper drehen sich. Jeder Mond, Planet, Stern des uns bekannten, dreht sich um seine Achse, so dass es in unserer physischen Realität keine idealen Sphären gibt. Ein Objekt im hydrostatischen Gleichgewicht schwillt während der Rotation um den Äquator an und wird von den Polen zusammengedrückt. Unsere Erde ist dank einer Umdrehung pro Tag entlang der Äquatorachse 42 km länger als die Polarachse, und es gibt Objekte, die sich viel schneller drehen. Was ist mit den am schnellsten rotierenden Objekten? Unser Leser fragt:

Einige Pulsare drehen sich erstaunlich schnell. Inwieweit verzerrt dies ihre Form, und werfen sie deshalb keine Materie ab - oder hält ihre Schwerkraft sie fest?

Es gibt Einschränkungen hinsichtlich der Rotationsgeschwindigkeit von Objekten, und obwohl Pulsare keine Ausnahme sind, können einige von ihnen als wirklich außergewöhnlich bezeichnet werden.


Der Pulsar in Segeln ist wie alle Pulsare ein Beispiel für die Überreste eines Neutronensterns. Gas und Materie umgeben häufig Pulsare und sind Brennstoffquellen für das pulsierende Verhalten dieser Neutronensterne.

Pulsare oder rotierende Neutronensterne haben einige der unglaublichsten Eigenschaften unter allen Objekten im Universum. Sie erscheinen nach einer Supernova, wenn der Kern zu einem festen Neutronenball zusammenbricht, der die Masse der Sonne überschreitet, aber nur einen Durchmesser von mehreren Kilometern hat. Dies ist die dichteste bekannte Form von Materie. Und obwohl sie Neutronensterne genannt werden, bestehen sie nur zu 90% aus Neutronen. Wenn sie sich drehen, bewegen sich die geladenen Teilchen sehr schnell und erzeugen ein starkes Magnetfeld. Wenn die sie umgebenden Teilchen in dieses Feld fallen, beschleunigen sie und ein relativistischer Strahl oder Strahl, der von den Polen eines Neutronensterns ausgeht, erscheint. Und wenn einer dieser Pole in unsere Richtung zeigt, sehen wir den "Impuls" des Pulsars.


Der aus Neutronen bestehende Pulsar hat eine äußere Hülle aus Protonen und Neutronen, die ein extrem starkes Magnetfeld erzeugt, das eine Billion Mal größer ist als das auf der Sonnenoberfläche. Beachten Sie, dass sich die Drehachse und die Magnetachse geringfügig unterscheiden.

Die meisten der vorhandenen Neutronensterne sehen für uns nicht wie Pulsare aus, da die meisten nicht so gedreht werden, dass die Rotationsachse mit der Sichtlinie übereinstimmt. Es ist möglich, dass alle Neutronensterne Pulsare sind, aber nur ein kleiner Teil davon ist für uns sichtbar. Trotzdem haben selbst die beobachteten Pulsare eine enorme Streuung in der Anzahl der Umdrehungen.


Auf dem Bild des Kerns des Krebsnebels - eines jungen und massiven Sterns, der kürzlich bei einer atemberaubenden Supernova-Explosion gestorben ist - sehen Sie die charakteristischen Wellen, die von einem pulsierenden und schnell rotierenden Neutronenstern, einem Pulsar, erzeugt werden. Dieser junge Pulsar, nur 1000 Jahre alt, dreht sich 30 Mal pro Sekunde und ist ein typischer Vertreter gewöhnlicher Pulsare.

Gewöhnliche Pulsare, zu denen die meisten jungen Pulsare gehören, verbringen eine volle Umdrehung von einigen Hundertstelsekunden bis zu mehreren Sekunden, und ältere Millisekundenpulsare drehen sich viel schneller. Der schnellste bekannte Pulsar dreht sich 766 Mal pro Sekunde, und der langsamste, der im Zentrum einer 2000 Jahre alten Supernova RCW 103 entdeckt wurde, dreht sich in unglaublichen 6,7 Stunden .


Ein sehr langsam rotierender Neutronenstern im Kern der Supernova-Überreste RCW 103 ist ebenfalls ein Magnetar . Im Jahr 2016 bestätigten neue Daten von verschiedenen Satelliten, dass es sich um den am langsamsten rotierenden Neutronenstern aller bekannten handelt

Vor ein paar Jahren ging eine falsche Geschichte um das Netzwerk, dass sich ein langsam rotierender Stern als das Objekt herausstellte, das der der Menschheit bekannten Sphäre am nächsten kommt. Kaum! Die Sonne befindet sich sehr nahe an der idealen Kugel und ist in der Äquatorialebene nur 10 km größer als der Durchmesser entlang der Achse zwischen den Polen (dh sie unterscheidet sich um 0,0007% von der idealen Kugel), und der kürzlich entdeckte Stern KIC 11145123 ist mehr als doppelt so groß wie die Sonne Größe, aber der Unterschied zwischen Äquator und Polen beträgt nur 3 km.


Bei dem langsamsten uns bekannten rotierenden Stern, Kepler / KIC 1145123, unterscheiden sich die Durchmesser an den Polen und am Äquator nur um 0,0002%. Neutronensterne können jedoch viel gleichmäßiger sein.

Obwohl der Unterschied von nur 0,0002% zur idealen Kugel ein gutes Ergebnis ist, bricht der langsamste aller rotierenden Neutronensterne, bekannt als 1E 1613 , alle diese Rekorde. Sein Durchmesser beträgt ungefähr 20 km, und die Differenz zwischen dem äquatorialen und dem polaren Radius überschreitet nicht den Radius des Protons: Er beträgt weniger als eine Billion von 1%. Wenn wir sicher sein können, dass die Form eines Neutronensterns durch seine Rotationsdynamik bestimmt wird.

Aber vielleicht ist dies tatsächlich nicht der Fall, und die Richtigkeit dieser Aussage spielt eine große Rolle bei der Untersuchung der anderen Seite der Medaille - der am schnellsten rotierenden Neutronensterne.


Der Neutronenstern ist klein und dunkel, aber er ist sehr heiß und kühlt sehr lange ab. Wenn wir sie beobachten und ihr Leuchten sehen könnten, würden wir sie millionenfach länger leuchten sehen als das gegenwärtige Zeitalter des Universums.

Neutronensterne haben ein unglaublich starkes Magnetfeld - für einen gewöhnlichen Neutronenstern beträgt seine Intensität 100 Milliarden Gauß, und für Magnetare mit dem stärksten Magnetfeld liegt er im Bereich von 100 Billionen bis 1 Billiarde Gauß. Zum Vergleich beträgt die Intensität des Erdmagnetfeldes ungefähr 0,6 G. Und wenn die Rotation versucht, den Neutronenstern zu glätten und ihn in die Form eines zusammengedrückten Sphäroids zu bringen, wirken die Magnetfelder in die entgegengesetzte Richtung und ziehen den Neutronenstern entlang der Rotationsachse in eine melonenartige Form, die als länglicher Sphäroid bekannt ist.


Komprimierte und längliche Sphäroide

Aufgrund der Einschränkungen der Gravitationswellen sind wir zuversichtlich, dass sich Neutronensterne aufgrund der Rotation um nicht mehr als 10-100 cm von ihrer Form entfernen, was bedeutet, dass sie mit einer Genauigkeit von 0,0001% perfekt rund sind. Tatsächlich sollten die Verformungen jedoch noch geringer sein. Der am schnellsten rotierende Neutronenstern hat eine Rotationsfrequenz von 766 Hz oder eine Umdrehungsperiode von 0,0013 s.

Und obwohl es viele Möglichkeiten gibt, die Abflachung selbst für die schnellsten Neutronensterne (ohne die allgemein akzeptierte Gleichung) zu berechnen, führt selbst diese unglaubliche Geschwindigkeit, aufgrund derer sich die Oberfläche am Äquator mit einer Geschwindigkeit von etwa 16% der Lichtgeschwindigkeit bewegt, zu einer Abflachung von nur 0,0000001% , plus oder minus ein paar Bestellungen. Und das kommt der außer Kontrolle geratenen Geschwindigkeit nicht einmal nahe - alles, was sich auf der Oberfläche eines Neutronensterns befindet, bleibt dort.


Kurz vor der Fusion senden zwei Neutronensterne nicht nur Gravitationswellen aus, sondern erzeugen auch eine katastrophale Explosion, die im gesamten elektromagnetischen Spektrum reagiert, sowie einen Strom schwerer Elemente, die sich dem Ende des Periodensystems nähern.

Nach der Fusion zweier Neutronensterne kann das extremste Beispiel eines rotierenden Neutronensterns erhalten werden, der als Ergebnis der Fusion gebildet wird. Nach unseren Standardtheorien sollten diese Neutronensterne in ein Schwarzes Loch fallen, wenn eine bestimmte Massenschwelle überschritten wird: etwa das 2,5-fache der Sonneneinstrahlung. Wenn sich diese Neutronensterne jedoch schnell drehen, können sie einige Zeit ein Neutronenstern bleiben, bis genügend Energie in Form von Gravitationswellen emittiert wird und sie einen Zustand kritischer Instabilität erreichen. Ein solcher Prozess kann die maximale Masse eines Neutronensterns zumindest vorübergehend um 10 bis 20% erhöhen.

Und wir glauben, dass genau dies während der Fusion zweier Neutronensterne passiert ist , die wir beobachtet haben .



Mit welcher Geschwindigkeit drehte sich der Neutronenstern nach der Fusion? Wie verzerrt ist seine Form? Welche Gravitationswellen emittieren Neutronensterne, die aus der Fusion resultieren?

Um eine Antwort zu erhalten, ist es notwendig, die Untersuchung von Ereignissen mit Massen aus verschiedenen Bereichen zu kombinieren: Die Gesamtmasse überschreitet nicht 2,5 Sonnen (ein stabiler Neutronenstern sollte erhalten werden), die Masse beträgt 2,5 bis 3 Sonnen (wie im beobachteten Fall) Wenn sich ein vorübergehend existierender Neutronenstern in ein Schwarzes Loch verwandelt, beträgt die Masse mehr als 3 Sonnen (wenn sofort ein Schwarzes Loch erhalten wird), und addieren Sie dazu die Messung von Lichtsignalen. Wir können auch mehr lernen, indem wir die Annäherungsphase in einer Spirale so früh wie möglich erkennen und Teleskope im Voraus zur beabsichtigten Quelle schicken. Und mit der Inbetriebnahme von LIGO / Virgo und anderen Gravitationswellendetektoren sowie einer Erhöhung ihrer Empfindlichkeit können wir dies immer besser machen.


Die Verschmelzung zweier Neutronensterne aus Sicht des Künstlers. Binäre Systeme von Neutronensternen spiralisieren ebenfalls allmählich zusammen und verschmelzen, aber das nächste der gefundenen Paare wird fast 100 Millionen Jahre lang nicht verschmelzen. Bis dahin wird LIGO wahrscheinlich viele andere Kandidaten finden.

Bis dahin sollten Sie wissen, dass Neutronensterne trotz ihrer schnellen Rotation aufgrund ihrer unübertroffenen Dichte extrem fest sind. Selbst mit solch starken Magnetfeldern und relativistischen Rotationsgeschwindigkeiten wie diesen sind sie idealere Kugeln als alles, was wir auf makroskopischen Skalen im Universum finden könnten. Sofern sich einzelne Teilchen nicht als idealere Kugeln herausstellen (und dies kann passieren), bleiben langsam rotierende Neutronensterne mit schwachen Magnetfeldern die besten Kandidaten für die kugelförmigsten Objekte, die natürlich erscheinen. Ein langlebiger stabiler Neutronenstern verringert die Rotationsgeschwindigkeit mit der Zeit nur langsam. Und alles, was sich auf seiner Oberfläche befindet, bleibt dort.