Was würde ein Teelöffel voll Neutronenstern mit dir anstellen?

 

Ich habe Dr. Dave Goldberg gefragt, ob ich seinen Artikel „What would a teaspoonful of neutron star do to you?“ übersetzen darf.  Er fand die Idee gut.  Ich auch. Ist schließlich ein Thema, was uns alle angeht.

In dieser wöchentlichen Ausgabe von „Frage an einen Physiker“ betrachten wir eine unglaublich schlecht durchdachte Mission: eine Reise zu einem Neutronenstern, um aus seinem Inneren die klebrigen Neutronen zu extrahieren. Was danach passiert? Du stirbst. Wir zeigen dir wie.

Ihr Leute schickt mir viele Fragen über Themen der Physik und Astronomie. Die meisten sind sehr vernünftig – aber manchmal bekomme ich Vorschläge zu Aufgaben, die so dermaßen abgefahren sind, dass mir keine andere Wahl bleibt, als sie bis zu ihrer Wurzel zu verfolgen. Leser Mark Skelton fragt:

Ich weiß, dass die Bestandteile eines Neutronensterns eine der dichtesten Materien des Universums sind und ein Teelöffel davon soviel wiegt wie ein Berg. Was würde passieren, wenn wir wirklich diese Menge aus einem Neutronenstern herausholen würden?

Lasst mich damit anfangen: PROBIERT DIESES EXPERIMENT NICHT AUS.

Obwohl der Name „Neutronenstern“ harmlos erscheint, sollte man sich nicht täuschen lassen. Sie sind kleine, aber tödliche Überreste massiver Sterne. Sie besitzen die 2 oder 3-fache Masse der Sonne, passen aber ganz bequem in das Stadtgebiet von Dortmund.

Durch diese enorme Dichte ist die Anziehungskraft unglaublich stark. Wenn ihr jetzt denkt, dass das ganze Ding deswegen doch zu einem Schwarzen Loch kollabieren müsste, liegt ihr fast richtig. Das ist der genaue Grund, warum Neutronensterne nicht mehr als ein paar Sonnenmassen haben können. Sie würden sonst zu Schwarzen Löchern.

Neutronensterne werden für etwas gehalten, was man als „entartete Materie“ kennt und das ist wirklich ein passender Ausdruck dafür, dass die Neutronen bereits so dicht  gepackt sind, dass sie sich nicht weiter zusammendrängen lassen. Das ist eine Folge des berühmten „Pauli-Prinzips„, das in Kurzfassung beschreibt, dass zwei Neutronen (oder eigentlich zwei Elektronen) sich nicht denselben Raum und Zustand teilen können.  [ Auch bekannt als „entarteter Druck„, ljb ]

Falls du auf der Suche nach Gesprächsthemen für deine nächste Cocktail-Party bist, könnte dich interessieren, dass entartete Materie auch das ist, was „Weiße Zwerge“ ausmacht. In meinem Buch werden in Kapitel 5 Neutronensterne und Weiße Zwerge ausführlich besprochen.

Dieser entartete Druck ist jedenfalls so hoch, dass ein Stern der Klasse „Überriese“ mit einem Kern aus einem Neutronenstern, dessen Hülle kollabiert und auf diesen Kern prallt, eine Explosion auslöst, die eine komplette Galaxie überstrahlt. Möglicherweise kennst du das als Supernova. Hast du jemals das Bild des Krebsnebels (das Bild oben) gesehen? Das kommt dabei raus, wenn man mit einem Neutronenstern rumspielt.

Also was würde passieren, wenn wir bescheuert genug wären, es zu versuchen?

NeutronShip

Du und dein Raumschiff würde durch die Anziehungskraft und magnetische Felder in Stücke zerrissen.

Die Landung wäre unglaublich schwierig. Neutronensterne können mehrere Tausend mal pro Sekunde rotieren und viele davon haben magnetische Felder, die zehn Millionen mal stärker sind, als das der Erde.

Das beeinträchtigt dich in verschiedener Hinsicht. Zuerst zerstören die magnetischen Felder dieser Stärke alles was mit Eisen zu tun hat, danach deine Computersysteme. In der Praxis geschieht wohl beides gleichzeitig.

Die Kombination der Rotation mit dem starken magnetischen Feld bildet eine Art Selbstverteidigungssystem der Neutronensterne. Vielleicht kennst du es als „Pulsar,“ das einen hochenergetischen Strahl aussendet, der jeden Bruchteil einer Sekunde durch den Raum fegt. Zuletzt gilt es auf einer Kugel zu landen, die sich mit Tausenden Kilometern pro Sekunde dreht. Das ist nicht ganz einfach.

Aber nehmen wir an, wir hätten die Landung auf der Oberfläche des Neutronensterns geschafft. Gut, es hätte ein paar Millionen Kelvin – aber verglichen zu den Problemen, die wir noch zu erwarten haben, ist das ein Kinderspiel. Die Anziehungskraft ist 200 Milliarden mal stärker als auf der Oberfläche der Erde. Falls dich das nicht weiter stören sollte, beachte aber, dass dort der Unterschied der Gravitation zwischen deinem Kopf und deinen Füßen etwa 60 Millionen g beträgt. Wenn du glaubst, dass dich im Universum alles auf die gleiche Weise töten kann, bedenke kurz, dass die Oberfläche der Sonne auf nur etwa 6000 K bei einer Anziehungskraft von 27 g kommt. Vergleichsweise also nichts.

Explosive Ausdehnung

Weil ich euch mag, lasse ich euch noch etwas länger überleben. Ich gehe davon aus, dass ihr Zugriff zum Raumschiff Enterprise und der zugehörigen Transporter-Technologie habt, und wasweissich, eine Landung auf der Oberfläche gar nicht notwendig ist. Lasst uns also annehmen, dass wir einen Teelöffel Neutronenstern aus seinem Kern direkt in unseren Frachtraum „beamen.“ Ich sage aus „seinem Kern“, weil die äußere Kruste ziemlich langweilig ist. Sie besteht zumeist aus schwereren Elementen, wie Eisen. Um das reine Produkt zu kriegen, müssen wir tiefer buddeln.

Was dann passiert? Jetzt geht der Spaß erst richtig los.

Du musst dir erstmal vorstellen, dass wir über Dichten sprechen, die im Bereich von etwa 10^18 kg/m^3 liegen, was bedeutet, dass ein Teelöffel davon rund 10 Milliarden Tonnen wiegt. Ich hab´s durchgerechnet und Mark hat recht. Für einen ausreichend großen Berg kommt das hin. [ Ähm, laut den relativ leicht nachprüfbaren Fakten in diesem Artikel, wiegt der Mount Everest gerade mal 6,5 Milliarden Tonnen, ljb]

Im Inneren eines Neutronenstern besteht eine empfindliche Balance zwischen der extremen Anziehungskraft des Sterns und dem entarteten Druck der Neutronen. In dem Moment, in dem wir die Neutronen entnehmen, geht´s rund. Der gravitative Druck, der die Neutronen bislang komprimiert hat, fehlt. Und denk dran – die Neutronen haben eine Temperatur von Millionen Grad. Der Gasdruck ist immens. Selbst wenn wir mittels eines Transporters das Stück Stern in den Bauch unseres Schiffes beamen könnten, würde der Druckverlust von außen das Gas explosionsartig ausdehnen lassen.

In einem angenommen normal großen „Frachtraum“ enden wir in einem Druck, der billiardenfach höher ist als der normale Luftdruck und einer Dichte, die etwa das 10 millionenfache von solidem Stein beträgt.

Halte dich nicht in deinem Frachtraum auf, wenn du dein Neutronenstern-Material hochbeamst. Ich kann das gar nicht oft genug wiederholen.

NeutronSpiral

Eine Neutronenbombe

Angenommen, die Expansion der Neutronen würde dein Schiff nicht auf der Stelle zerlegen – das Schlimmste kommt erst noch. Im Inneren eines Neutronensterns hält der abartige Druck die Neutronen nämlich von dem ab, was sie normalerweise möchten: zerfallen.

Neutronen können ziemlich lange rumhängen, solange sie sich in einem Atomkern befinden. Wenn sie alleine sind, überleben sie nicht lange. Jedenfalls nicht nach menschlichen Zeitvorstellungen. Im Vergleich zu vielen anderen subatomaren Partikeln, die höchtens eine 10 milliardstel Sekunde bestehen, ist die Lebenszeit eines Neutrons von etwa 10 Minuten allerdings unglaublich lang. Nach diesen (im Durchschnitt) 10 Minuten zerfällt ein Neutron in ein Proton, ein Elektron und in ein normalerweise nicht nachweisbares Anti-Neutrino.

Kein großer Akt, oder? Falsch. Wir rufen letztlich die berühmteste Gleichung der gesamten Physik auf: E=mc^2. Das zeigt uns, wie viel Energie bei jedem Zerfall frei wird.

Nimm die Masse des Neutrons, subtrahiere davon die Masse des Protons, des Elektrons und die vernachlässigbare Masse des Anti-Neutrinos und du erhältst die Verlustmasse. Multipliziere die mit der quadrierten Lichtgeschwindigkeit und du hast die frei gewordene Energie. Bezogen auf den Zerfall eines Neutrons, werden während dieses Vorgangs etwa 0,08% der Masse in Energie umgesetzt. Das hört sich erstmal nicht viel an – aber multipliziert mit dem vollen Teelöffel deines Neutronensterns endet es mit einem Energieausstoß von etwa 10^27 Joule. Oder etwa in dem, was die Sonne in 2 bis 3 Sekunden rausrotzt.

Wenn du nicht gerade ein intuitives Gefühl dafür hast, wieviel Energie das eigentlich ist, wäre eine andere Umschreibung dafür, dass unser Neutronenzerfall das Äquivalent einer Billionen-Megatonnen-Bombe hätte. Oder in anderer Hinsicht, mit 50 Billionen mal dem Wumms der ersten Atombomben. Es würde das Leben auf der Erde ganz einfach auslöschen.

Denk dran, dass die Halbwertszeit von Neutronen etwa 10 Minuten beträgt, was bedeutet, dass alles ziemlich schnell tot und erledigt ist. Herzlichen Glückwunsch, du hast eine lebendige Atomwaffe auf dein Schiff teleportiert.

Viel Glück!

 

Dave Goldberg ist, zusammen mit Jeff Blomquist, der Autor von „A User’s Guide to the Universe: Surviving the Perils of Black Holes, Time Paradoxes, and Quantum Uncertainty.“ (follow us on twitterfacebooktwitter or our blog.) Er ist außerordentlicher Professor der Physik an der Drexel-Universität in Philadelphia.

Feel free to send email to askaphysicist@io9.com with any questions about the universe.

Top image of the Crab Nebula via NASA, ESA and Allison Loll/Jeff Hester (Arizona State University). Acknowledgement: Davide De Martin (ESA/Hubble). Illustration of a spaceship with a neutron star by Rick Sternbach.

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15 Kommentare zu Was würde ein Teelöffel voll Neutronenstern mit dir anstellen?

  1. Alex sagt:

    des is echt krass! Muss für NWT Präsentation über Neutronensterne. Einige Informationen hiervon werden auf jeden Fall darin vorkommen. Danke für die informationen

  2. ljb sagt:

    Nichts zu danken. Ich drück´die Daumen für die Präsi!

    Gruß,

    ljb

  3. Was passiert, wenn 2 oder 3 schwarze Löcher kollidieren? Was für Materie und Strahlung wird dabei ausgestoßen? Was sagt die Simulation? Wird das schwarze Loch von Photonen umkreist? (Simulation) Kann ein schwarzes Loch ein Magnet- oder elektrisches Feld haben, oder wird dieses an seiner Ausbreitung gehindert? Wie groß kann das kleinste, bzw. größte schwarze Loch sein, das theoretisch existieren kann?

  4. ljb sagt:

    Interessante Fragen. Normalerweise hätte ich gesagt, besorg´ ein paar Sterne mit jeweils etwas mehr als 25 Sonnenmassen und wir probieren´s aus. Aaaber:

    Im Sternhaufen Westerlund 1 gibt es einen Magnetar, der aus den Überresten eines Sterns mit etwa 40 Sonnenmassen besteht. Dieser kleine Querulant sollte also eigentlich ein Schwarzes Loch sein. Eine Beschreibung seines Kinderzimmers findest du hier:

    http://www.eso.org/public/germany/news/eso1034/

    Wir sollten den Versuchsaufbau also vorher noch mal durchdenken …

  5. Dong Mei Hoi sagt:

    In einem abgeschlossenen System wird eine Gasmasse immer gleichmäßiger durchmischt und die Temperaturunterschiede werden immer geringer. 2. Hauptsatz der Thermodynamik, die Entropie kann nicht kleiner werden. Wenn die Gasmasse groß genug ist, kann sich eine gleichmäßige Gasmasse zu einem Stern zusammenziehen, die Temperaturunterschiede werden größer. Das verstößt dann aber gegen den 2. Hauptsatz der Thermodynamik. Wie ist das zu erklären? Da das Universum ein abgeschlossenes System ist, müsste doch am Ende alles gleichmäßig verteilt sein? (Wärmetod des Universums)

  6. ljb sagt:

    Das gute alte Entropie-Problem. Die Masse im Universum war von Anfang an nicht gleichmäßig verteilt. Beginnend mit dem Urknall kommt die primordiale Nukleosynthese ins Spiel. Sieh dir das mal an:

    http://de.wikipedia.org/wiki/Entropieproblem

  7. J.K. sagt:

    Thx
    hat sau geholfen.
    Bin 13 und muss ne Präsi übers Universum machen.
    Hast du noch mehr Artikel?

    • ljb sagt:

      Hey J.K.,

      freut mich, dass ich Dir helfen konnte. Aber weitere Artikel sind, wie du siehst, nicht vorhanden. Vielleicht später mehr …

      Gruß, ljb

  8. Kud sagt:

    Es gibt da noch weitere Effekte, die die Stärke der Explosion vergrößern.

    Zunächst einmal: So ein Neutronenstern besteht nicht nur aus Neutronen. Da ist immer noch ein gewisser Anteil an Protonen und Elektronen drin (ca. 10% der Masse). Das ist deshalb so, weil Protonen und Elektronen zusätzliche Energieniveaus einnehmen, die nicht mit den Neutronen konkurrieren – auch wenn das wesentlich weniger Zustände sind, als für Neutronen zur Verfügung stehen, deshalb auch nur 10%.

    Beim Zerfall eines Neutrons werden 1.3 MeV an Energie frei, die jeweils zur Hälfte ans Elektron und ans freiwerdende Antineutrino gehen. Das Neutrino verlässt das Raumschiff fast immer ungesehen, weshalb seine Energie hier verlorengeht – das Elektron ist das, was wir als radioaktive Strahlung kennen. Macht also 0.65 MeV an Explosionsenergie pro Zerfall.

    Die vorhandenen Protonen, die ja stabil sind, verstärken interessanterweise die Explosion: lagern sich ein Proton und ein Neutron zu einem Deuterium-Kern zusammen, dann werden dabei 1.1 MeV an Gammastrahlung pro Nukleon frei – das ist weniger Energie als beim Zerfall eines Neutrons, dafür entkommt aber keine Energie in Form von Neutrinos. Noch deutlich mehr Energie wird frei, wenn sich 1 Proton mit 2 Neutronen (Tritium-Kern, 2.8 MeV pro Nukleon) oder 2 Protonen mit 2 Neutronen (Helium-Kern, 7.1 MeV pro Nukleon) zusammenlagern.

    Es gibt noch einen weiteren Effekt, der aber aufgrund der extrem schnellen Explosion hier keine wirkliche Rolle spielt:

    Ein freies Neutron hat eine Halbwertszeit von ca. 10 Minuten. Das gilt aber nur für wirklich freie Neutronen – im Innern der neutronenreichen Neutronenstern-Materie, sobald sie sich ein wenig ausgedehnt hat und der stabilisierende Druck entfallen ist, gilt dies aber nicht, bedingt durch 2 Faktoren: 1. bei Bindung des entstehenden Protons an ein anderes Neutron wird deutlich mehr Energie frei als beim bloßen Zerfall (2.5 MeV) (oder noch deutlich mehr bei Bindung an neutronenreiche Atomkerne), 2. es gibt sehr viele potenzielle Partner-Neutronen in der unmittelbaren Umgebung. Das senkt die Halbwertszeit der Neutronen auf wenige Millisekunden. Das spielt bei kosmischen Vorgängen eine Rolle (wenn 2 Neutronensterne verschmelzen und der schwerere dem leichteren Materie klaut, so dass dieser eine stabile Mindestmasse von ca. 0.1 Sonnenmassen unterschreitet, oder wenn ein schwarzes Loch einen Neutronenstern zerreißt), aber hier im Raumschiff ist die Explosion einfach viel zu schnell, da hat es den Löffelinhalt schon nach einer Nanosekunde in alle Himmelsrichtungen zerstreut.

  9. Steffen niewerth sagt:

    Ich hab eine Frage ich kenn mich in dem Gebiet nicht sehr gut aus aber klingt doch wohl interessant. Wie läuft das denn wenn sich zwei Neutronenstern verschmelzen ist es ähnlich wie bei schwarzen löchern oder wie kann man sich das vorstellen. Ich mein bei der großen dichte ist es schon schwierig sich vorzustellen das sie sich verschmelzen bei schwarzen löchern schon eher außerdem was haben schwarze Löcher für eine dichte kann man das überhaupt bestimmen?

  10. Axel sagt:

    Guten Tag zusammen,

    Kompliment für diesen Artikel.
    Neben den äußerst interessanten Theorien, ist dieser Artikel zudem noch richtig witzig geschrieben. Es würde mich freuen mehr davon lesen zu können. Warum denn nicht mal ein Artikel darüber, was passieren würde, wenn man versuchen würde auf einem schwarzen Loch zu landen?!?

    Danke und bitte weiter so!

    Gruß,
    Axel

    • ljb sagt:

      Hey Axel,

      hast du ein spezielles schwarzes Loch auf dem Radar? Es sollte schon mindestens eine Sonnenmasse haben. Somit ergibt sich ein Schwarzschild-Radius von knapp 3 km. Das ist die Entfernung vom Ereignishorizont zum Mittelpunkt des „Lochs“, der Singularität. Die Sonne ist geschrumpft auf einen Durchmesser von 6 km. Parkplätze sind immer knapp. Obwohl sich das Universum immer weiter ausdehnt (aber das ist ein anderes Thema :-)

      Wird die Erde zum schwarzen Loch, bleiben nur noch 18 mm Durchmesser, vom Mount Everest blieben nur 2 Nanometer.

      Wie auch immer – das Parken auf dem Ereignishorizont ist und bleibt schwierig. Für dich selbst und den Kumpel, der dich dort absetzt.

      Viel Glück, ljb

      • Axel sagt:

        So, wie ich das bisher verstanden habe, geben wir uns hier ja nicht mit kleinen, profanen Dingen ab. Nehmen wir doch gleich mal einen ordentlichen Kawendsmann. Wie wäre es denn mit dem supermassereichen, schwarzen Loch im Zentrum unserer Milchstraße. Jules Verne hat doch die Geschichte von der Reise zum Mittelpunkt der Erde geschrieben. Warum münzen wir das nicht ein wenig um? Die lächerlichen 4,31 Millionen Sonnenmassen, die das Zentrum unserer Milchstraße vermutlich hat, sollten uns ja nicht zwingend davon abhalten dort mal fiktiv eine Landung zu probieren…

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