Nuclear Pasta in Neutron Stars

Titel: Astromaterial Science and Nuclear Pasta

Autoren: M. E. Caplan, C. J. Horowitz

Institution des Erstautors: Indiana University, USA

Status: arXiv.org , open access

Im Inneren eines Neutronensterns

Neutronensterne sind die dichtesten Objekte im Universum. Natürlich ist die Materie in ihnen exotisch und anders als alles auf der Erde — stellen Sie sich vor, Sie zerquetschen die Masse unserer Sonne in einen Stern mit nur 10 km Durchmesser! Wie man aus ihrem Namen erahnen kann, bestehen Neutronensterne hauptsächlich aus Neutronen, wobei ein kleiner Teil der Elektronen und Protonen ebenfalls zu ihrer Masse beiträgt. Ein Neutronenstern kann als analog zu einem riesigen Atomkern angesehen werden, der eher durch Gravitationskräfte als durch die starke Kraft gebunden ist. Unter dem Druck der Schwerkraft wird Materie auf die gleiche Dichte wie die Atomkerne komprimiert; Eigenschaften der hochdichten Materie in Neutronensternen werden in diesem Artikel diskutiert.

Lassen Sie uns nun den Abstieg durch die Kruste eines Neutronensterns visualisieren. Abbildung 1 zeigt eine schematische Darstellung der geschichteten Schichten, denen wir während unseres Abstiegs begegnen. In der äußeren Kruste verbinden sich Neutronen zu Kernen, die ein festes Gitter bilden. Wenn wir tiefer in die Kruste hinabsteigen, werden die Kerne immer riesiger und neutronenreicher. Ab einer bestimmten Größe beginnen die Neutronen aus den Kernen zu fließen und tropfen heraus und bilden einen Ozean freier Neutronen, in den das Gitter der Kerne eingetaucht ist. Dies bedeutet unseren Übergang in die innere Kruste. Hier, an der Basis der Kruste (oder des „Mantels“), entdecken wir die komplizierten Kernstrukturen, mit denen sich das heutige Papier befasst. Normalerweise erwarten wir, dass Kerne kugelförmig sind, aber hier verformen und verschmelzen sich die Kerne und bilden Cluster exotischer Formen, die als „Kernnudeln“ bezeichnet werden. Jenseits dieses Punktes betreten wir den Kern des Sterns, wo wir einheitliche Kernmaterie finden: Ein Neutronensuprafluid (eine Substanz, die ohne Reibung fließt) koexistiert mit einem Protonensupraleiter (ein Material, das Elektrizität widerstandslos leitet).

Abbildung 1: (a) Struktur eines Neutronensterns. Die Symbole N, n, p, e, μ entsprechen Kernen, flüssigen Neutronen und Protonen, Elektronen bzw. (b) Zusammensetzung der inneren Kruste eines Neutronensterns. Quelle: https://compstar.uni-frankfurt.de/outreach/short-articles/the-nuclear-pasta-phase/

Nuclear Pasta

Unter den extremen Bedingungen hoher Dichte in einem Neutronenstern führt der Wettbewerb zwischen nuklearer Anziehung und Coulomb-Abstoßung zu exotischen Strukturen, die als Nuclear Pasta bezeichnet werden. Ravenhall, Pethick und Wilson waren die ersten, die diese ungewöhnlichen Konfigurationen der Kernmaterie untersuchten. Kernmaterial zeichnet sich durch komplexe, nicht sphärische Muster wie Röhren, Platten und Blasen aus; Diese Konfigurationen minimieren ihre Energie (siehe Abbildung 2). Der Name „Nuclear Pasta“ entstand aufgrund einer Ähnlichkeit mit verschiedenen Nudelsorten – wie Lasagne, Gnocchi und Spaghetti!

Gegenwärtig basiert unser Verständnis der Kernenergie in Neutronensternen weitgehend auf theoretischen Berechnungen. Es gibt jedoch einige Beobachtungsnachweise, die die Existenz von Kernmaterial in der Kruste unterstützen. Zum Beispiel postulieren Pons, Vigano und Rea, dass die Pasta-Phase die maximale Spinperiode rotierender Neutronensterne (Pulsare) begrenzt. Sie deuten darauf hin, dass das Fehlen isolierter Röntgenpulsare mit Spinperioden von mehr als 12 Sekunden ein beobachtender Beweis für Kernspin sein könnte. Die Suche nach Beobachtungssignaturen der Kernkernschicht ist ein Forschungsthema von großem Interesse.

Abbildung 2: Beispiele für verschiedene Kernreaktorphasen. Abbildung 3 auf Papier.

Ergebnisse

In diesem Beitrag führen die Autoren semiklassische Molekulardynamiksimulationen von Kernreaktoren durch. Der semi-klassische Ansatz ist gerechtfertigt, da die relevanten Verhaltensweisen Cluster von Tausenden von Nukleonen betreffen und diese schweren Cluster klassisch behandelt werden können. Die Quanteneffekte, die auf kleineren Skalen vorhanden sind, werden von Hand durch die Parameter im halbklassischen Modell eingegeben.

Die Autoren modellieren die Geometrie und Topologie der in Abbildung 2 dargestellten komplexen Pastastrukturen und extrahieren nützliche Eigenschaften des Materials, wie thermische und elektrische Leitfähigkeit. Die Autoren diskutieren, wie das Vorhandensein einer dünnen Schicht an der Basis der Neutronensternkruste Beobachtungen astrophysikalischer Phänomene wie Supernova-Neutrinos, Magnetfeldzerfall und Krustenkühlung akkretierender Neutronensterne beeinflussen könnte.

Oben haben wir das Papier von Pons et al. in denen erwartet wird, dass Kernreaktorphasen Verunreinigungen enthalten. Die Verunreinigungen bewirken, dass das Magnetfeld des Neutronensterns über 0,1-1 Myr zerfällt, was mit der beobachteten Population isolierter Röntgenpulsare mit Spinperioden von weniger als 12 Sekunden übereinstimmt. Molekulardynamische Simulationen in der heutigen Arbeit belegen die Annahme von Pon, dass die Pasta einen hohen Verunreinigungsparameter aufweist. Daher passt ein weiteres Puzzleteil zusammen und wir haben noch mehr Grund zu der Annahme, dass Kernenergie in Neutronensternen existiert.

  • Über den Autor

Über Lisa Drummond

Ich bin Astrophysik-Doktorandin mit Interesse an kompakten Objekten und Gravitationswellen. Ich habe Neutronenstern-Innenräume für meine Masterarbeit an der University of Melbourne, Australien, studiert und promoviere jetzt am MIT.

Schreibe einen Kommentar

Deine E-Mail-Adresse wird nicht veröffentlicht.