Kosmische Röntgenstrahlung gibt Hinweis auf neue Form von Materie

Tübinger Astronomen entdecken Stern, der aus Quarks besteht

Das Röntgenobservatorium CHANDRA, das seit 1999 von der NASA im Weltraum betrieben wird, hat einen Stern beobachtet, dessen „zu kleiner“ Durchmesser möglicherweise neue Er-kenntnisse über die Struktur der Materie liefert. Diese Entdeckung unterstreicht den engen Zusammenhang zwischen kosmischen Objekten und der Physik der Elementarteilchen. Die CHANDRA-Beobachtung des Objekts mit dem Katalognamen RXJ1856.3-3754 legt nahe, dass die Materie im Inneren des Sterns noch dichter ist als die Atomkernmaterie, die wir von der Erde her kennen. Es ist daher möglich, das dieser Stern aus freien Quarks besteht.

Durch die Kombination von CHANDRA- und Hubble-Teleskop-Daten haben Astronomen herausgefunden, dass RXJ1856.3-3754 wie ein Festkörper mit einer Temperatur von 700.000 Grad strahlt, also mehr als 100 mal heißer als unsere Sonne ist. Der Durchmesser beträgt nur ungefähr 11 Kilometer. Ein solcher Durchmesser ist zu klein, als dass er mit Standardmodellen für Neutronensterne erklärt werden könnte, welche die bisher extremste bekannte Form von Materie darstellen. Daher lassen alle Beobachtungen dieses Sterns zusammengenommen den Schluss zu, dass er nicht aus Neutronen besteht, sondern aus Quarks. Quarks werden als fundamentale Bausteine der Atomkerne betrachtet, sie sind allerdings bisher niemals außerhalb eines Atomkerns als freie Teilchen beobachtet worden.

Dies ist der wesentliche Inhalt einer Publikation, die im „Astrophysical Journal“ am 20.06.2002 erscheinen wird. Das amerikanisch-deutsche Astronomen-Team wird geleitet von Dr. Jeremy Drake vom „Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics“ (USA). Zum Team gehören auch Dr. Stefan Dreizler und Prof. Dr. Klaus Werner vom Institut für Astronomie und Astrophysik der Universität Tübingen.

Ein Fingerhut voll Neutronensternmaterial wiegt Milliarden von Tonnen. Seine außergewöhnlich hohe Dichte entspricht derjenigen von eng zusammengepackten Atomkernen. In normaler Materie dagegen sind Atomkerne weit voneinander entfernt. Atomkerne bestehen aus Neutronen und Protonen, diese wiederum bestehen aus noch kleineren Teilchen, die als Quarks bezeichnet werden und als Grundbausteine der Materie gelten. Große Teilchenbeschleuniger werden benutzt, um die Kräfte zwischen den Quarks und die Struktur der Atomkerne zu untersuchen, indem man Atomkerne mit extrem hoher Geschwindigkeit aufeinander prallen lässt und deren Bruchstücke studiert. Im Europäischen Kernforschungszentrum wurde tatsächlich im Jahr 2000 die Entdeckung eines neuen Zustandes der Materie, des Quark-Gluon-Plasmas, angekündigt.

Neutronensterne stellen das Endstadium der Entwicklung massereicher Sterne dar. Der etwa zwei Sonnenmassen schwere Eisenkern eines solchen massereichen Sterns kollabiert unter seinem eigenem Gewicht zu einem Neutronenstern mit nur etwa 20 Kilometern Durchmesser. Der überwiegende Teil der Sternhülle wird in Form einer Supernova-Explosion vom Stern fortgeschleudert. Es ist nicht klar, ob ein Quarkstern nun während einer Supernova-Explosion entstehen kann oder erst später ein Neutronenstern einen sogenannten Phasenübergang zu einem Quarkstern vollzieht.

Die Astronomen sind allerdings noch vorsichtig mit ihrer Schlussfolgerung. Im Prinzip kann man die Beobachtungen von RXJ1856.3-3754 auch mit einem normalen Neutronenstern und einem heißen Fleck auf seiner Oberfläche erklären. Ein solches Modell wird von Dr. Fred Walter (State University of New York, Stony Brook) untersucht. Walter ist einer der Entdecker von RXJ1856.3-3754, der ursprünglich 1996 mit dem deutschen Röntgensatelliten RO-SAT gefunden wurde. Allerdings würde man von einem solchen Modell her mit großer Wahrscheinlichkeit eine variable Röntgenstrahlung erwarten, was allerdings aufgrund des Beobachtungsmaterials so gut wie ausgeschlossen werden kann.

Unabhängig davon wie die ungewöhnlichen Beobachtungen von RXJ1856.3-3754 letztendlich erklärt werden können, sie zeigen, dass es möglich ist, astrophysikalische Untersuchungen des Universums dazu zu nutzen, fundamentale physikalische Fragestellungen zu untersuchen.

Weitere Informationen:

Dr. Stefan Dreizler Prof. Dr. Klaus Werner Institut für Astronomie und Astrophysik Abteilung Astronomie Sand 1 72076 Tübingen

Tel. 07071 2978612 oder 07071 2978601

E-Mail: dreizler@astro.uni-tuebingen.de oder werner@astro.uni-tuebingen.de