In Milliarden von Jahren, wenn die Sonne in den letzten Todeskämpfen ist (dh nachdem sie die Erde bereits verdampft hat), wird ihr Heliumkern in sich zusammenfallen und zu einem fest zusammengedrückten Ball aus glühendem Gas schrumpfen, der als weißer Zwerg bezeichnet wird .
Aber während diese herausragenden Grabsteine bereits unsere galaktische Landschaft prägen, bleiben ihre Innenräume ein Rätsel in der Physik - was angesichts ihrer Seltsamkeit keine Überraschung ist.
Kürzlich haben zwei Forscher ein ausgeklügeltes Modell entwickelt, um das Innere eines weißen Zwergs zu "betrachten". Und rate was? Diese kosmischen Sonderbälle könnten irdische Trüffel beschämen, da sie cremige Zentren voller exotischer Quantenflüssigkeiten zu haben scheinen.
Der einst stolze Star
Sterne wie unsere Sonne erhalten ihre Energie, indem sie Wasserstoff tief in ihren Kernen zu Helium verschmelzen. Diese Energieerzeugung kann nicht ewig dauern - irgendwann geht der verfügbare Wasserstoff zur Neige und die Party hört auf. Gegen Ende ihres Lebens können Sterne das Licht kurzzeitig wieder einschalten, indem sie Helium verbrennen und einen inerten, toten Kern aus Kohlenstoff und Sauerstoff zurücklassen.
Aber kleine Sterne wie unsere Sonne haben nicht genug Gravitationskraft, um Kohlenstoff und Sauerstoff zu schwereren Elementen wie Magnesium oder Eisen zu verschmelzen, und so sterben sie, drehen sich um und geben ihre Atmosphäre in eine schöne (oder blutige, je nach Ihrer) frei Sicht) planetarischer Nebel.
Dieser Kern aus Kohlenstoff und Sauerstoff bleibt zurück, ein bedeutender Teil der Masse des Sterns ist in einem Kern eingeschlossen, der nicht größer als die Erde ist. Als Astronomen diese seltsamen Objekte - heute als weiße Zwerge bekannt - zum ersten Mal entdeckten, hielten sie sie für unmöglich. Die berechneten Dichten stiegen über das Milliardenfache der Luft, die wir atmen. Wie konnte etwas eine so extreme Dichte haben und nicht einfach unter seinem eigenen schrecklichen Gewicht zusammenbrechen?
Aber weiße Zwerge sind nicht unmöglich, und theoretische Erkenntnisse im frühen 20. Jahrhundert lösten das Rätsel, wie weiße Zwerge möglicherweise existieren könnten. Die Antwort kam in Form der Quantenmechanik und der Erkenntnis, dass die Natur bei hohen Dichten, um es einfach auszudrücken, sehr seltsam ist. Bei weißen Zwergen kann nur eine bestimmte Anzahl von Elektronen darin gepackt werden. Da sich diese sich drehenden Elektronen gegenseitig abstoßen, erzeugen sie zusammen genug Druck, um die toten Sterne im Ballon zu halten und selbst den fast überwältigenden Schwerkraftkräften standzuhalten.
Und so können stellare Leichen Billionen von Jahren weiterleben.
Cremegefüllte Zentren
Während diese frühen Berechnungen zeigten, wie weiße Zwerge in unserem Universum existieren könnten, wussten Astrophysiker, dass einfache Beschreibungen nicht vollständig erfassen würden, was in solchen exotischen Kernen passiert. Immerhin ist dies ein Zustand der Materie, der für Labors und Experimente hier auf der Erde völlig unzugänglich ist - wer weiß, welche seltsamen Spiele die Natur tief in diesen toten Herzen machen könnte?
Sowohl Physiker als auch Astronomen wundern sich seit Jahrzehnten über das Innere von Weißen Zwergen. In einem kürzlich im Preprint-Journal arXiv erschienenen Artikel haben zwei russische theoretische Physiker ein neues Modell der tiefen Kerne in Weißen Zwergen vorgeschlagen, in dem detailliert beschrieben wird, wie Ihr Modell baut auf früheren Arbeiten auf und weicht von diesen ab, und wie Beobachter möglicherweise feststellen können, ob ihr neues Modell korrekt ist.
In diesem neuen Modell simulierten die Wissenschaftler den Kern des Weißen Zwergs, der nur aus einer Art schwer geladener Kerne besteht (dies ist nicht ganz richtig, da Weiße Zwerge eine Mischung aus mehreren Elementen wie Kohlenstoff und Sauerstoff sind, aber es ist eine guter Ausgangspunkt), wobei diese Teilchen in eine dicke Elektronensuppe getaucht sind.
Bei diesem Aufbau wird davon ausgegangen, dass weiße Zwerge warm genug sind, um ein flüssiges Interieur zu haben. Dies ist eine vernünftige Annahme, da sie bei ihrer Geburt (oder besser gesagt, wenn sie nach dem Tod ihrer Wirtssterne endlich ausgesetzt sind) gute Temperaturen haben über eine Million Grad Kelvin.
Die äußersten Schichten eines weißen Zwergs sind der kalten Umgebung eines reinen Vakuums ausgesetzt, wodurch sich Wasserstoff auf der Oberfläche absetzen kann und ihnen eine leichte, dünne Atmosphäre entsteht. Und in extremen Zeiten kühlen sich weiße Zwerge ab und bilden schließlich einen riesigen Kristall, aber das ist lange genug entfernt, dass weiße Zwerge größtenteils mit einer exotischen Quantenflüssigkeit aus Kohlenstoff und Sauerstoff gefüllt sind, so das in dieser Studie verwendete Modell relativ genau für einen großen Teil der Lebenszeit eines Weißen Zwergs.
Signaturoberflächen
Da Eingeweide von Weißen Zwergen eine der ungewöhnlichsten Umgebungen im Universum darstellen, könnte ihre Untersuchung einige tiefe Eigenschaften der Quantenmechanik unter extremen Bedingungen aufdecken. Aber da Wissenschaftler niemals hoffen können, einen nahe gelegenen weißen Zwerg einzuseilen, um ihn für eine Vivisektion hereinzubringen, wie können wir dann möglicherweise einen Blick unter die Haube werfen?
Die Forscher des neuen Modells zeigten, wie das von weißen Zwergen abgegebene Licht unterschiedliche Wärme sein kann. Weiße Zwerge erzeugen selbst keine Wärme. Ihre intensiven Temperaturen sind das Ergebnis des extremen Gravitationsdrucks, dem sie ausgesetzt waren, als sie sich in Sternen befanden. Aber sobald ihr Wirtsstern wegbläst und sie dem Weltraum ausgesetzt sind, leuchten sie intensiv - in den ersten tausend Jahren nach ihrer großen Enthüllung sind sie so heiß, dass sie Röntgenstrahlung aussenden.
Aber sie kühlen sich sehr langsam ab und geben ihre Wärme als Strahlung in den Weltraum ab. Und wir haben weiße Zwerge lange genug beobachtet, um zu sehen, wie sie sich über Jahre und Jahrzehnte abkühlen. Wie schnell sie sich abkühlen, hängt davon ab, wie effizient ihre eingeschlossene Wärme an ihre Oberfläche entweichen kann - was wiederum von der genauen Art ihres Darms abhängt.
Ein weiteres Merkmal, von dem die Forscher zeigten, dass es zur Untersuchung von weißen Zwergen verwendet werden kann, ist das noch so leichte Wackeln. Ähnlich wie die Seismographie zur Untersuchung des Erdkerns verwendet wird, verändert die Zusammensetzung und der Charakter eines Weißen Zwergs die Art und Weise, wie sich Schwingungen auf der Oberfläche zeigen.
Schließlich können wir Populationen weißer Zwerge verwenden, um einen Hinweis auf ihr Interieur zu erhalten, da die Beziehung zwischen ihrer Masse und ihrer Größe von den genauen quantenmechanischen Beziehungen abhängt, die ihr Interieur bestimmen.
Insbesondere deutet die neue Forschung darauf hin, dass die meisten weißen Zwerge schneller abkühlen sollten als früher angenommen, etwas seltener vibrieren als ältere Modelle vermuten lassen und etwas größer als erwartet sein sollten, als wenn wir dieses realistischere Modell nicht berücksichtigt hätten. Jetzt liegt es an den Astronomen, genau genug zu messen, um zu sehen, ob wir diese exotischen Umgebungen wirklich verstehen oder ob wir einen weiteren Sprung machen müssen.
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Paul M. Sutter ist Astrophysiker bei Die Ohio State University, Gastgeber von Fragen Sie einen Raumfahrer und Weltraumradiound Autor von Dein Platz im Universum.
