Stellarer Paradiesvogel aus freien Quarks - Tübinger Astronomen spürten bizarren Stern auf, der aus Quarks bestehen könnte

von Dr. Harald Zaun Köln, im Mai 2002

Quelle: chandra.harvard.edu
Von links nach rechts, von oben nach unten: Eine Montage der Supernovae
E0102-72.3, Cassiopeia A, Crab Nebula, PSR 0540-69, G21.5-0.9, N132D

Einen superschweren Stern mit einem Durchmesser von nur 11 Kilometern hat ein amerikanisch-deutsches Astronomenteam mithilfe des Röntgenteleskops CHANDRA entdeckt. Der sehr kleine Himmelskörper besteht vermutlich aus freien Quarks, den Bausteinen von Atomkernen, die zumindest in unseren kosmischen "Längen- und Breitengraden" außerhalb von Atomkernen nicht vorkommen. Ein Teelöffel des Quark-Sternenmaterials würde auf unserem Planeten eine Milliarde Tonnen wiegen - mehr als alle Autos, Lastwagen und Busse der Erde zusammen. Allerdings könnte sich hinter dem bizarren Gebilde theoretisch auch ein extrem kompakter Neutronenstern verstecken

RX J185635-375: Kandidat Quark Star
Credit: M. van Kerkwijk (Institute of Astronomy, Utrecht), S. Kulkarni (Caltech), VLT Kueyen, ESO

Leonardo da Vinci (http://www.mos.org/leonardo/), Isaac Newton, Albert Einstein - diese Namen mögen stellvertretend für jene schillernden kreativen Köpfe der Kulturgeschichte stehen, die - gemessen an ihrer Epoche - scheinbar nicht von "dieser" Welt waren. Wer wollte daran zweifeln, dass es in der kurzen Menschheitsgeschichte zu allen Zeiten "Zeiten" gegeben hat, in denen einige besonders aufgeweckte Zeitgenossen ihrer Zeit voraus gewesen waren, so wie dies offensichtlich auch auf zwei Philosophen des antiken Griechenlands zutrifft.

"In Wirklichkeit gibt es nur Atome und den leeren Raum"

Hält man sich die Leistungen der beiden Denker Leukippos aus Milet (um 450 - 370 v. Chr.) und Demokrit (um 460 - 370 v. Chr.) vor Augen, dann wird klar, dass nicht die griechischen Philosophen der ersten Garnitur - sprich Aristoteles oder Plato (Platon) (http://plato-dialogues.org/plato.htm), sondern eher die in deren Schatten stehenden, etwas unbekannteren Denker naturwissenschaftliche Wahrheiten (annähernd) richtig antizipiert und eingeordnet haben. Leukippos von Milet und sein gelehriger Schüler Demokrit gehörten fraglos dazu.

Beide Philosophen waren zumindest quellenmäßig nachweislich wohl die ersten Menschen, die postulierten, dass alle Körper aus "Atomen" aufgebaut sind, und dass alle Veränderungen, die wir in unserer Umwelt beobachten, von der Bewegung solcher Gebilde herrühren: "Nur scheinbar hat ein Ding eine Farbe, nur scheinbar ist es süß oder bitter. In Wirklichkeit gibt es nur Atome und den leeren Raum", lautete Demokrits Postulat.

Atome - das waren für die beiden Griechen kleine, unsichtbare, allerdings ewige und unzerstörbare Teilchen, die sich jeweils durch ihre Form, Gestalt und Größe voneinander unterschieden. Alle Atome (griechische Wort "atomos" bedeutet übersetzt "das Unteilbare") seien aus dem gleichen "Stoff" gemacht (sprich Protonen, Neutronen und Elektronen) und können sich untereinander verbinden. "Alle anderen Dinge existieren nur, weil sie aus Atomen zusammengesetzt sind." Und die Eigenschaften der Gegenstände werde letzten Endes durch den "Zusammenhalt" der Teilchen (=Moleküle) bestimmt. Dabei sei die Entstehung der Welt eine Folge der unablässigen Bewegung der Atome im Raum, so Demokrit.

Doch so fortschrittlich dieser bereits vor knapp 2500 Jahren "erdachte" Theorieansatz auch war - mit dem heutigen Atom-Modell korrespondiert er in einem entscheidenden (und einigen anderen, kleineren) Punkten allerdings nicht. Atome sind - und dies ist seit 1932 eine Binsenwahrheit, als sich zeigte, dass der Atomkern aus Protonen und Neutronen zusammengesetzt ist und unter enormer Energiegewinnung gespalten oder fusioniert werden kann, eben doch teilbar. Bereits 1964 erfolgte der nächste Paradigmenwechsel, als die Physiker Murray Gell-Mann und George Zweig ein Theorie-Modell entwickelten, demzufolge Neutronen und Protonen sogar das Produkt noch kleinerer Bausteine seien: den mittlerweile legendären Quarks, die sich inzwischen experimentell durch Beobachtung verschiedener Elementarteilchen in großen Elektron-Positron-Speicherringen nachweisen lassen. Dem neuesten Forschungsstand nach existieren offensichtlich sechs Quarks und sechs Antiquarks: Protonen und Neutronen setzen sich aus jeweils drei Quarks - zwei Quarks und einem Antiquark - zusammen. Vor nicht allzu langer Zeit differenzierten die Forscher nur zwischen drei Quarks: up-, down- und strange-quarks, bis dann das Modell später mit charm- und bottom-quarks und dem sechsten, aus Symmetriegründen geforderten top-quark erweitert wurde.

RX J1856.5-3754
Credit: NASA/SAO/CXC/J.Drake et al.

3C58
Credit: NASA/SAO/CXC/P.Slane et al.

Freie Quarks wurden bislang nicht beobachtet

Gänzlich neu ist hingegen ist die Erkenntnis, dass im Universum offensichtlich auch Sterne in majestätischer Schönheit erstrahlen, die samt und sonders aus Quarks bestehen. Mithilfe von CHANDRA (http://chandra.harvard.edu/), dem bislang so erfolgreich operierenden Röntgenobservatorium, das seit 1999 im Orbit treibt, ist es jetzt einem amerikanisch-deutschen Astronomen-Team unter der Leitung von Dr. Jeremy Drake vom "Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics" (http://cfa-www.harvard.edu/) in Cambridge (Mass./USA) gelungen, den Stern mit dem Katalognamen RX J1856.3-3754 zu beobachten, dessen "zu kleiner" Durchmesser den Schluss nahelegt, dass die Materie in seinem Inneren noch dichter konzentriert ist als die Atomkernmaterie, die wir von der Erde her kennen. "Taken at face value, the combined observational evidence points to a star composed not of neutrons, but of quarks in a form known as strange quark matter," so Drake's Originalkommentar (http://chandra.harvard.edu/press/02_releases/press_041002.html). "Quarks, thought to be the fundamental constituents of nuclear particles, have never been seen outside a nucleus in Earth-bound laboratories."

Auch Dr. Stefan Dreizler vom Institut für Astronomie und Astrophysik der Universität Tübingen, der zusammen mit seinem Instituts-Kollegen Prof. Klaus Werner (http://astro.uni-tuebingen.de/~werner/) Mitglied des Team war, hält es für möglich, dass dieser Stern aus freien Quarks besteht: den genannten "Strange Quarks", eine Sorte Materie, die auf der Erde natürlicherweise nicht vorkommt. "Ich denke, dass diese Lösung die wahrscheinlichere ist. Andere Forscher werden die Argumente anders gewichten und daher zu anderen Schlussfolgerungen kommen. Sicherlich hängt vieles davon ab, inwieweit man überhaupt bereit ist, so etwas wie einen Quarkstern zu akzeptieren. Aber es gab ja schon vorher theoretische Überlegungen, dass es Quarksterne geben könnte."

Die bisherigen Beobachtungen und ausgewerteten CHANDRA-Daten, die zusätzlich mit Hubble-Teleskop-Daten kombiniert wurden, sprechen nach Ansicht der Astronomen eher für einen Quark- als für einen Neutronenstern. Zum einen deshalb, weil RX J1856.3-3754 wie ein Festkörper mit einer Temperatur von 700.000 Grad strahlt, also mehr als 100 mal heißer als unsere Sonne zu sein scheint, zum anderen deswegen, da das kompakte Gebilde gerade mal einen Durchmesser nur ungefähr 11 Kilometer aufweist, was schlichtweg zu wenig ist, um dem Standardmodell eines Neutronensterns zu entsprechen, der aus der bisher extremsten bekannten Form von Materie im Kosmos existiert. "Ein Neutronenstern hat einen heißen Fleck, und wir messen nicht die Größe des gesamten Sterns, sondern nur die des Flecks", verdeutlicht Dr. Dreizler. "Dann kann der gesamte Stern natürlich deutlich größer sein. Frühere Analysen älterer (schlechterer) Röntgendaten legten eine Zwei-Temperatur-Lösung nahe. Wir konnten die aber mit den Daten nicht bestätigen. Alle bekannten Neutronensterne rotieren. Wenn der heiße Fleck nicht um die Rotationsachse angeordnet ist und wir zufällig auf diese schauen, würden wir eine Lichtvariation erwarten. Wir haben aber keine nachweisen können."

RX J1856.3-3754 nur ein Neutronenstern?

Animation Starcollapse of RX J1856.5-3754 and 3C58
chandra.harvard.edu/photo/2002/0211/animations.html

Bekanntlich unterscheiden sich Neutronensterne von ihren stellaren Kollegen durch eine außergewöhnliche hohe Dichte. Derlei astrale Gebilde 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.

Derweil rätseln die Forscher darüber, welchem stellaren oder nicht-stellaren Vorgang ein Quarkstern sein Dasein verdankt. Es bleibt völlig unklar, ob ein Quarkstern während einer Supernova-Explosion entsteht oder erst später ein Neutronenstern einen so genannten Phasenübergang zu einem Quarkstern vollzieht. Kein Wunder also, dass sich die Forscher auch weiterhin in Vorsicht üben, könnten doch die Beobachtungen von RX J1856.3-3754 auch mit einem normalen Neutronenstern und einem heißen Fleck auf seiner Oberfläche erklärt werden.

Bislang galt RX J185635-3754 als der der Erde am nahegelegenste Neutronenstern. Er liegt "zurzeit" rund 200 Lichtjahre entfernt und rast mit einer Geschwindigkeit von 389.000 Kilometern pro Stunde durchs All. Dabei soll er die Erde in rund 300.000 Jahren in einer Entfernung von etwa 170 Lichtjahren passieren. Wie dem auch sei - ob solche stellaren Paradiesvögel tatsächlich existieren, wird die Zukunft zeigen. "Die jetzigen Chandra-Daten sind für uns ausgewertet. Da dafür schon sechs Tage Beobachtungszeit notwendig waren, sehe ich mit Chandra erst mal kein Weiterkommen", erklärt Dr. Stefan Dreizler. "Doch das europäische Gegenstück XMM-Newton ist deutlich empfindlicher und kann eine genauere Zeitmessung liefern". Die Daten seien erst vor kurzem aufgenommen worden und befänden sich nunmehr beim Max-Planck-Institut für Extraterrestrische Physik (http://www.mpe-garching.mpg.de/) in Garchingen. Da werde sich dann zeigen, was zu machen ist, so der Tübinger Astronom. Zumindest ist sich Dreizler sicher, dass dieses Ergebnis einen Boom von Beobachtungen auslösen werde. "Wir werden versuchen, mit guten Beobachtungsideen vorne dabei zu sein".

Über diese Entdeckung wird in dem Fachjournal "Astrophysical Journal" (Erscheinungstermin) am 20.6.2002 ein ausführlicher Report folgen

Dieser Beitrag ist in einer veränderten Version bereits in dem Internetmagazin Telepolis.de erschienen

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