Kürzlich hat man mir eine sehr interessante Frage gestellt: Warum hat ein Neutronenstern so ein enorm starkes Magnetfeld? Er besteht doch nur aus ungeladenen Neutronen?. Eine gute Frage und eine, über die ich im Rahmen meiner Serie “Fragen zur Astronomie” ein wenig mehr sagen möchte.

Neutronensterne haben tatsächlich enorm starke Magnetfelder. Sie können milliardenfach stärker sein als das Magnetfeld der Erde. Aber wie funktioniert das? Wie der Namen schon sagt, besteht ein Neutronenstern aus Neutronen, also den elektrisch nicht geladenen Bausteinen der Atomkerne. Wie kann etwas ohne elektrische Ladung ein Magnetfeld erzeugen und noch dazu ein so starkes?

Für die Antwort muss man ein wenig ausholen. Denn es ist ja wirklich so: Will man ein Magnetfeld bekommen, braucht man – vereinfacht gesagt – etwas das elektrisch geladen ist und das sich bewegt. Bei der Erde sind das die Ströme aus flüssigem Metall im Inneren unseres Planeten. Auf der Sonne ist es das geladene Plasma, dass dort ständig strömt und das teilweise bis weit hinaus ins All, wie diese beeindruckende Aufnahme zeigt:

Aber wie ist das mit einem Neutronenstern? So ein Objekt entsteht, wenn ein großer Stern sein Leben beendet. In seinem Inneren findet keine Kernfusion mehr statt. Es wird keine Energie und Strahlung mehr produziert, die von innen nach außen drücken kann und der Stern kollabiert unter seinem eigenen Gewicht. So sehr, dass nicht nur die Materie enorm komprimiert wird, sondern die Atome selbst. Die elektrisch negativ geladenen Elektronen aus der Atomhülle werden in die elektrisch positiv geladenen Protonen “gepresst” und es entstehen die elektrisch nicht geladene Neutronen.

Ein typischer Neutronenstern vereint das Gewicht der Sonne in einer Kugel mit einem Radius von nur 10 bis 20 Kilometern. Aber er besteht nicht komplett aus Neutronen!

Freie Neutronen, also Neutronen die nicht im Inneren eines Atomkerns mit Protonen zusammen gebunden sind, sind instabil. Sie zerfallen mit einer Halbwertszeit von nur 10 Minuten. Das heißt, sie überleben nicht lange. Im Prinzip ist das auch im Inneren eines Neutronensterns so. Nur ist hier eben die Dichte enorm groß. Zerfällt ein Neutron (den Prozess nennt man “Beta-Zerfall”) in ein Proton und ein Elektron, sorgt der Druck dafür, dass sofort wieder ein neues Neutron entsteht. Aber an der Oberfläche des Neutronensterns bzw. knapp darunter ist das nicht so. Hier reicht der Druck nicht aus und Neutronen können nicht existieren.

Ein Neutronenstern ist also von einer Kruste aus normaler Materie – im Allgemeinen Eisen – umgeben. Ganz außen findet sich eine “Atmosphäre” aus Elektronen; unter der Kruste findet man eine Übergangszone in der Neutronen und normale Atomkerne gemischt auftreten und erst darunter die “reine” Neutronenmaterie. Das Magnetfeld wird von den Elektronen, Protonen und den ionisierten Atomkernen in den äußeren Schichten des Neutronensterns erzeugt. Und es ist deswegen so stark, weil so ein Neutronenstern enorm schnell rotiert. Manche von ihnen brauchen nur wenige Millisekunden für eine Umdrehung. Der Effekt ist der gleiche wie bei den Eiskunstläufern (oder, falls man das lieber mag: Wenn man auf einem Drehstuhl im Kreis rotiert): Dreht man sich mit ausgestreckten Händen um die eigene Achse und zieht die Arme dann ein, erhöht sich die Rotationsgeschwindigkeit aufgrund der Drehimpulserhaltung. Dadurch verdichten sich auch die magnetischen Feldlinien und das Feld wird stärker.

Die Sache ist natürlich noch ein Stück komplizierter als ich sie gerade eben sehr vereinfacht beschrieben habe (zum Beispiel haben auch Neutronen ein “magnetisches Moment”, auch wenn sie keine elektrische Ladung haben). Vor allem haben wir noch immer nicht verstanden, wie genau sich die Materie im Kern eines Neutronensterns verhält. Dort könnte die Materie in Form anderer Teilchen vorliegen, die ein sogenanntes Bose-Einstein-Kondensat bilden, also einem Aggregatzustand der in unserem Alltag nicht vorkommt und bei dem alle Teilchen den selben quantenmechanischen Zustand haben. Vielleicht gibt es dort auch freie Quarks, die sich nicht zu Neutronen zusammengefunden haben und bilden einen hypothetischen Quarkstern.

Mit den extremen Bedingungen im Inneren eines Neutronensterns haben wir keine Erfahrungen und auch Experimente in Teilchenbeschleunigern sind nicht in der Lage, solche Bedingungen zu reproduzieren. Aber eventuell kann die kürzlich entstandene Gravitationswellenastronomie neue Informationen liefern. Auch Neutronensterne können Quellen von Gravitationswellen sein; zum Beispiel dann wenn dort “Neutronensternbeben” stattfinden. Also dann, wenn sich die Materie im Inneren des Neutronensterns spontan “umschichtet” und der Stern ein wenig unrund rotiert.

Eine Analyse solcher Gravitationswellen könnte uns einiges darüber verraten, wie es in seinem Inneren wirklich aussieht. Die Sache mit dem Magnetfeld haben wir aber zumindest schon mal verstanden. Es existiert, weil ein Neutronenstern nicht nur aus Neutronen besteht.

Mehr Antworten findet ihr auf der Übersichtsseite zu den Fragen, wo ihr selbst auch Fragen stellen könnt.

Kommentare (32)

  1. #1 werner
    22. Februar 2016

    Das Reden über Quarksterne mach hungrig (duck und wech) ;-).

  2. #2 Alderamin
    22. Februar 2016

    @Florian

    Auf der Sonne ist es das geladene Plasma,

    Bevor die EU-Vetreter hier wieder aufschlagen: Das Plasma ist elektrisch leitend, aber nicht geladen, sondern neutral.

    Das Magnetfeld wird von den Elektronen, Protonen und den ionisierten Atomkernen in den äußeren Schichten des Neutronensterns erzeugt. Und es ist deswegen so stark, weil so ein Neutronenstern enorm schnell rotiert.

    Ich hab’ früher mal gelesen/gelernt, dass Neutronensterne das Magnetfeld ihre Vorläufersterne “verdichten und einfrieren”, dh. die vergleichsweise schwachen Magnetfelder des Sterns würden beim Kernkollaps mitgezogen und verdichtet und so das Feld im Neutronenstern erzeugen. Ist das Unsinn/überholt?

    Der Neutronenstern ist ja auch nicht Netto geladen, sondern er hat bewegliche Ladungsträger in seiner Schale, die durch ein induzierendes Feld in Bewegung versetzt werden können, und bei Supraleitung kann dieser Strom beliebig lange fließen und seinerseits das Feld aufrechterhalten. Ansonsten müsste man begründen, warum sich im Neutronenstern die Ladungen trennen sollten, sonst dürfte doch kein Nettofeld enstehen, oder?

  3. #3 Wizzy
    22. Februar 2016

    @Alderamin #2 Das ist doch das gleiche Problem wie beim Geodynamo der Erde und der Sonne(?) Unter einem anfänglich kleinen Magnetfeld (z.B. durch Magnetisierung / kristalline magnetische Momente) verstärkt ein rotierender Strom leitfähiger aber neutraler Materie eben dieses (Dynamo-Theorie). Die Details verstehe ich aber mitnichten. :)

  4. #4 Till
    22. Februar 2016

    und bei Supraleitung kann dieser Strom beliebig lange fließen und seinerseits das Feld aufrechterhalten

    Gibt es denn schon Hinweise darauf, dass zumindest Teile eines Neutronensterns supraleitend sind?

    In der Sonne wird das Plasma ja durch den thermischen Gradienten bewegt, d.h. die Energie der Magnetfelder stammt letztendlich aus der Kernfusion.

    Wenn der Neutronenstern nicht supraleitend ist, muss die Energie für das Magnetfeld ja auch irgendwoher kommen (z.B. zerfall der Neutronen?). Und selbst bei einem supraleitenden Neutronenstern muss die abgestrahlte Energie für die pulse die wir beobachten ja auch irgendwoher kommen.

  5. #5 Alex
    22. Februar 2016

    Wenn bei der Entstehung des Neutronensterns die Elektronen in die Atomkerne gepresst werden, kann man dies als umgekehrten Beta-Zerfall betrachten? Muss dann wegen der Erhaltung der Leptonenzahl auch ein Anti-Neutrino absorbiert werden, oder ist die Reaktion mit der Emission eines Neutrino möglich?

  6. #6 Captain E.
    22. Februar 2016

    Ist das nicht vor allem die Rotationsenergie, die da umgewandelt wird? Magnetare, also Neutronensterne mit extrem starkem Magnetfeldern, verlieren diese im Laufe der Zeit, und natürlich verlangsamt sich die Rotation der Neutronensterne immer mehr.

  7. #7 Alderamin
    22. Februar 2016

    @Till

    Gibt es denn schon Hinweise darauf, dass zumindest Teile eines Neutronensterns supraleitend sind?

    Ich meine, so was in der Art mal gelesen zu haben… google, google…

    Yep. Dann würde sich die Erzeugung des Feldes allerdings nicht in der Kruste, sondern in der Neutronenflüssigkeit abspielen.

    @Capain E.

    Ist das nicht vor allem die Rotationsenergie, die da umgewandelt wird? Magnetare, also Neutronensterne mit extrem starkem Magnetfeldern, verlieren diese im Laufe der Zeit, und natürlich verlangsamt sich die Rotation der Neutronensterne immer mehr.

    Das ist richtig, das rotierende Magnetfeld mit einer oft mit der Rotationsachse des Neutronensterns nicht parallelen magnetischen Achse (dann pulsiert der Bursche) strahlt Energie ab, die den Pulsar verlangsamt.

  8. #8 Jens
    22. Februar 2016

    Warum sind Rotatisonachse und Magnetfeldachse beim Neutronenstern nicht parallel?

  9. #9 Captain E.
    22. Februar 2016

    Warum sollten sie es sein? Bei der Erde ist das ja auch nicht der Fall.

  10. #10 rolak
    22. Februar 2016

    Das Plasma ist elektrisch leitend, aber nicht geladen, sondern neutral

    Wie meinste denn dette, Alderamin? Es ist doch gerade der Unterschied von Gas zu Plasma, daß in letzterem überzufällige Anteile geladener Teilchen, also Ionen und Elektronen vorkommen – oder habe ich hier irgendetwas völlig verpeilt?

  11. #11 Carsten
    22. Februar 2016

    Bei solch gigantischen Strömen durch die Magnetfelder und die “Eisenkruste” des Sterns, müssten da nicht auch sehr hohe Spannungen auftreten? Würde ein solcher Stern nicht ein unglaubliches Schauspiel an Blitzentladungen in seiner näheren Umgebung bieten, beispielsweise mit Materie in der Nähe?

  12. #12 Alderamin
    22. Februar 2016

    @rolak

    Im Plasma ist die Temperatur so hoch, dass Elektronen aus den Atomen herausgehauen werden und sich frei von den Atomen/Ionen/Kernen bewegen. Aber da das Plasma aus einem neutralen Gas entstand, ist es immer noch neutral, es sind gleich viele Ladungsträger (Elektronen, Protonen) jeder Ladungen enthalten.

    Die Elektronen sind aber viel beweglicher, unter dem Einfluss von Magnetfelder können sie höhere Ströme verursachen als die schweren Ionen oder Kerne, das sorgt dafür, dass Ströme im Plasma Magnetfelder erzeugen und umgekehrt.

  13. #13 Alderamin
    22. Februar 2016

    @Carsten

    Eine Blitzentladung ist möglich, wenn es eine getrennte positive und eine negative Ladung mit einem schlecht leitenden Medium dazwischen gibt, das bei ausreichend hoher elektrischer Feldstärke Elektronen freisetzt, die es leitend machen, so dass der Potenzialunterschied ausgeglichen werden kann.

    Wo siehst Du beim Neutronenstern und seiner Umgebung die getrennten Ladungen und wo das schlecht leitende Medium?

  14. #14 rolak
    22. Februar 2016

    Aber da

    Ach Du meinst ´als Ganzes´, Alderamin, im Sinne von von ´summiert über alles, was vorher auch schon da war´. Na das ist aber recht irrelevant.

    dass Ströme im Plasma Magnetfelder erzeugen

    Das machen elektrische Ströme immer, unabhängig vom Medium. Nee, der Witz ist, daß (vollmechanische Teilchen-)Ströme von Plasma (insgesamt-neutral hin oder her) als bewegte Ladungsträger elektrische Ströme sind und somit (wie gesagt, immer) EM-Felder erzeugen, also ordinäre Konvektion ausreicht, um den Dynamo anzuwerfen.

  15. #15 Alderamin
    22. Februar 2016

    @rolak

    Ach Du meinst ´als Ganzes´, Alderamin, im Sinne von von ´summiert über alles, was vorher auch schon da war´. Na das ist aber recht irrelevant.

    Klar als Ganzes, der Stern/Pulsar ist nicht geladen (war ja als Wink gegen das EU gemeint).

    Nee, der Witz ist, daß (vollmechanische Teilchen-)Ströme von Plasma (insgesamt-neutral hin oder her) als bewegte Ladungsträger elektrische Ströme sind und somit (wie gesagt, immer) EM-Felder erzeugen, also ordinäre Konvektion ausreicht, um den Dynamo anzuwerfen.

    Ich dachte da an Akkretionsscheiben oder Turbulenz im Plasma der Sonne, da ist ja auf den ersten Blick nicht offensichtlich, warum das sich bewegende (mechanisch strömende) Plasma Magnetfelder verursachen sollte, solange + und – immer schön nebeneinander fließen und sich ihre Magnetfelder gegenseitig auslöschen sollten. Mit der unterschiedlichen Beweglichkeit von + und – aber schon. Wenn ich das richtig verstanden habe.

  16. #16 rolak
    22. Februar 2016

    immer schön nebeneinander fließen

    Aber sowas ist doch kein TambourKorps, kleine Unregelmäßigkeiten schaukeln sich selbststabilisierend auf, ähnlich dem MHD-Dynamo.
    Selbstverständlich alles dynamisch-chaotisch, Thema Sonnenflecken.

    Ist die unterschiedliche LadungsträgerBeweglichkeit nicht erst relevant, wenn externe EM-Potentiale betrachtet werden, Alderamin?

  17. #17 Carsten
    22. Februar 2016

    @Alderamin:
    Nun, da an der Oberfläche des Neutronensterns eine hohe Elektronendichte herrschen müsste, wie im Artikel erwähnt, wäre dort die negative Ladung, und wenn in seiner Umgebung genug Materie kreist, dürfte dort auch durch Ionisierung lokal einiges an positivem Potenzial vorhanden sein. Zudem entstehen Blitzentladungen auch vom negativen zum neutralen Potenzial, wie in der Hochspannungstechnik. Durch den Elektronenüberschuss müssten sich doch etliche Ionisierungskanäle in der umkreisenden Materie bilden, die Feldstärke dürfte gigantisch sein. In einer Leuchtstoffröhre oder Gasentladungslampen wie Z.B. einer Natriumdampflampe funktioniert das doch auch?

    Das schlecht leitende Medium wäre die eingefangene Materie, in welcher Form auch immer, und durch die Magnetfelder dürfte sich stellenweise genug positives Potenzial entwickeln, um eine ausreichend hohe Feldstärke für Ionenkanäle aufzubauen. Positiv ionisierte Materie bildet doch per se die Ionenkanäle für die Elektronen.
    Vielleicht liege ich ja total falsch und hab was nicht bedacht, aber eigentlich müsste es in der direkten Umgebung eines Neutronensterns und seiner eingefangenen, kreisenden Materie nur so von gigantischen Blitzen wimmeln?

  18. #18 Artur57
    22. Februar 2016

    @Alderamin

    Klar als Ganzes, der Stern/Pulsar ist nicht geladen

    Ja, aber wie macht er dann ein Magnetfeld? Die Drehung der negativen Ladungen verursacht ein Feld, das von dem der positiven genau kompensiert wird. Ergo kein Magnetfeld.

    Denkbarer Ausweg: Die Elektronen sitzen im Schnitt weiter außen. Sie sind eben die leichtesten Bestandteile des Gebildes und werden von den schwereren verdrängt.

    Dann dominieren sie den Einfluss der positiven Ladungen, denn das erzeugte Magnetfeld ist proportional zur Geschwindigkeit des geladenen Teilchens und die nimmt nach außen hin zu. Ich wage mal die Formel B=v x e, welche ich allerdings im Netz so nicht finde.

  19. #19 PDP10
    22. Februar 2016

    @Artur57:

    Ich wage mal die Formel B=v x e, welche ich allerdings im Netz so nicht finde.

    Was kein Wunder ist. Da stimmen schon die Einheiten nicht.

    Ich glaube, was du suchst ist das Biot-Savart-Gesetz?

  20. #20 Alderamin
    23. Februar 2016

    @Carsten

    Nun, da an der Oberfläche des Neutronensterns eine hohe Elektronendichte herrschen müsste, wie im Artikel erwähnt, wäre dort die negative Ladung,

    Da sind aber auch die Protonen, in gleicher Zahl (siehe auch die Grafik mit “Ionen, Elektronen”, bzw. “Elektronen, Neutronen, Kerne”, da gibt’s keinen Ladungsüberschuss. Gleichfalls nicht im umlaufenden Gas, wenn welches da wäre. Und dazwischen ist nichtleitendes Vakuum. Da gibt’s keine Potenzialdifferenz und keine Überschläge.

  21. #21 Alderamin
    23. Februar 2016

    @Artru57

    Ja, aber wie macht er dann ein Magnetfeld? Die Drehung der negativen Ladungen verursacht ein Feld, das von dem der positiven genau kompensiert wird. Ergo kein Magnetfeld.

    Doch, der Pulsar ist supraleitend, beim Kollaps werden die magnetischen Felder mitgezogen, induzieren in der Neutronenflüssigkeit in mittlerer Tiefe (wo es noch Elektrinen gibt) einen kreisenden Strom (die Neutronen und Protonen bewegen sich nicht so schnell wie die Elektronen), und dieser erzeugt das Magnetfeld.

    Genau wie bei den berühmten schwebenden, supraleitenden Ringen, da induziert das Feld eines äußeren Magneten auch einen Strom mit einem entgegen gerichteten Magnetfeld und der Ring schwebt.

    Ist für die Magnetare (Pulsare mit besonders starken Magnetfeldern, bei denen noch Turbulenzen in der Neutronenflüssigkeit eine Rolle während der Entstehung spielen) hier erklärt.

  22. #22 PDP10
    23. Februar 2016

    @Alderamin:

    Genau wie bei den berühmten schwebenden, supraleitenden Ringen, da induziert das Feld eines äußeren Magneten auch einen Strom mit einem entgegen gerichteten Magnetfeld und der Ring schwebt.

    Nee, das Bild führt gerne mal in die Irre. Vom Prinzip ist die Idee zwar richtig. Genau betrachtet geht das aber so nicht. Siehe:

    https://de.wikipedia.org/wiki/Mei%C3%9Fner-Ochsenfeld-Effekt

    Insbesondere den zweiten Absatz im Abschnitt “Unterschied zum idealen Leiter”.

  23. #23 Captain E.
    23. Februar 2016

    Apropos Umgebung: Wenn wir mal voraussetzen, dass es auf einem Neutronenstern zu Ausbrüchen kommt, dann könnten doch auch Neutronen (aus entsprechender Tiefe) freigesetzt werden. Da freie Neutronen instabil sind, würden die dann in Protonen, Elektronen und Antineutrinos zerfallen. Die Gravitation eines Neutronensterns dicht über der Oberfläche sollte eigentlich hoch genug sein, dass die Protonen nicht entweichen können. (Die Magnetfelder des Neutronensterns würden vermutlich aus das ihre dazu beitragen.) Werden die Protonen und Elektronen aber alle zurück ins Innere gezogen und verschmelzen wieder zu Neutronen? Oder bildet sich eine dünne Wasserstoffatmosphäre an der Oberfläche aus?

  24. #24 Artur57
    23. Februar 2016

    @PDP10

    Ja, Biot-Savart geht in diese Richtung, aber es beschränkt sich eben immer auf die Ströme in Spulen.

    Welches Magnetfeld erzeugt ein bewegtes Elektron? Das ist keineswegs trivial, wie diese Diskussion auf dem Physikerboard zeigt.

    @Alderamin

    Also Elektronenströme innerhalb des Neutronénsterns? Nun ja, bei Supraleitung vorstellbar.

    Was sind Elektrinen? Generisches Femininum von Elektronen?

  25. #25 Alderamin
    23. Februar 2016

    @Artur57

    Was sind Elektrinen? Generisches Femininum von Elektronen?

    😆 Nee, ‘ne iPad-Softtastatur, die beim Liegen auf den gebeugten Oberschenkeln liegt.

    @PDP10

    Insbesondere den zweiten Absatz im Abschnitt “Unterschied zum idealen Leiter”.

    Bin jetzt nicht sicher, worauf Du hinaus willst. Der erste Absatz beschreibt genau, was ich meine: das Feld des Sterns bricht beim Kollaps zusammen (entspricht dem Absenken des Supraleiters ins Magnetfeld, es gibt ein B-Punkt), dadurch induziert es den Strom im Neutronenstern, der dann bei Supraleitung andauert.

    Bei Nicht-Supraleitung müsste er durch irgendwelche Dynamo-Effekte angetrieben werden, die sich aus der Rotation speisen, was auch möglich wäre. Es ist, glaube ich, noch nicht so eindeutig klar, was davon zu welchem Teil beiträgt (selbst die Entstehung des Erdmagnetfelds ist ja noch nicht 100% verstanden).

  26. #26 Bullet
    23. Februar 2016

    Öh … @Artur57:

    Ja, aber wie macht er dann ein Magnetfeld? Die Drehung der negativen Ladungen verursacht ein Feld, das von dem der positiven genau kompensiert wird. Ergo kein Magnetfeld.

    Es gibt auch Moleküle, die nach außen elektrisch neutral sind, in ihrem Inneren aber positiv und negativ geladene Partialladungen aufweisen. Und die reagieren auch auf EM-Felder – trotz Brutto-Neutralität.
    Wenn du also zwei Felder entgegengesetzter Polarität hast, heißt das nicht zwangsläufig, daß sie sich auslöschen. Nur daß ihre Fernwirkung ausfällt (wie auch immer hier “fern” bestimmt ist).

  27. #27 Laie
    24. Februar 2016

    Das ist eine sehr gute Frage und eine sehr gute Antwort, die auch für mich Laien verständlich ist.

  28. #28 Christian der 1.
    24. Februar 2016

    Ein bissal eine andere Baustelle, aber wenn wir hier schon so viele schlaue Leute versammelt haben.

    Bevor ein Neutronenstern entsteht muß ja eine Supernova explodieren. Dort entstehen ja auch viele/alle der schweren Elemente in unterschiedlicher Konzentration.

    Gibt es da eine Abschätzung wie “feinkörnig” diese Stoffe ins interstelare Medium abgegeben werden.

    Z.B wird ja einiges an Eisen ins All abgegeben. Könnte es sein, dass dann auch Meter große Eisenbrocken oder Goldnuggets ;-), mit ein paar % der Lichtgeschwindigkeit durchs All fliegen ?

  29. #29 Captain E.
    24. Februar 2016

    Ich schätze, dass das immer noch unter “feinkörnig” fallen würde…

  30. #30 Alderamin
    24. Februar 2016

    @Christian der 1.

    So feinkörnig wie die Teilchen im Zigarettenrauch. Mindestens. Aus solch kleinen Teilchen bestehen die Molekülwolken, die schwere Elemente enthalten und der Ruß, den Rote Riesen ausstoßen.

  31. #31 HyperG0D
    unwichtig
    11. März 2016

    “Sie zerfallen mit einer Halbwertszeit von nur 10 Minuten”

    Zeit ist relativ. Beziehen sich die 10 Minuten auf die Zerfallszeit gemessen auf der Oberfläche der Erde oder des Neutronensterns?

  32. #32 PDP10
    11. März 2016

    @HyperG0D:

    Zeit ist relativ. Beziehen sich die 10 Minuten auf die Zerfallszeit gemessen auf der Oberfläche der Erde oder des Neutronensterns?

    Das bezieht sich auf die Halbwertzeit von freien Neutronen ganz allgemein. Egal wo.
    In dem Satz gehts noch gar nicht um Neutronensterne.