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Abb. 1:
Das obere Bild zeigt einen Neutronenstern im Querschnitt
mit seiner festen Kruste in gelb und seinem flüssigen Kern
in grau. Die Pfeile und Farbmuster auf der Oberfläche zeigen
Vibrationsbewegungen. Die Bilder darunter zeigen verschiedene Arten
von Krustenschwingungen. In Bild (a) bewegt sich die Kruste hauptsächlich
horizontal. Dies ist die mit Torsionschermoden in Verbindung gebrachte
Bewegung. In Ausschnitt (b) verläuft die Bewegung radial. Dieser
Vibrationstyp sollte viel schwerer anzuregen zu sein.
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Abb. 2:
Frequenzen von Torsionsschermoden für zwei verschiedene
Krustenmodelle von Quarksternen. In einem Modell besteht die dünne
Kruste aus normaler Materie (oben), im anderen Fall existieren Klümpchen
von Materie aus strange Quarks (unten). Im oberen Bild gibt die schwarze
Linie die Schwingungsfrequenz der niedersten Mode (Grundmode) an, die
blaue, gestrichelte Linie stellt den beobachteten Wert dar. Die rote
Linie zeigt die Vorhersage für die erste radiale Oberschwingung und
die grüne, gestrichelte Linie die Messung. Für die Kruste mit
Quarkmaterieklumpen (unten) sagen die Modelle Frequenzen voraus,
die von der Masse der strange Quarks abhängen und in den durch
Farben markierten Bereichen liegen. Im Fall der dünnen Kruste normaler
Materie ist die Grundfrequenz immer höher als der gemessene Wert,
für die Klümpchenkruste ist sie immer niedriger. Die theoretisch
vorhergesagten Oberfrequenzen sind immer viel höher als die Messwerte.
Auch wenn die Sternmasse, der Sternradius und die Temperatur des Sterns
verändert werden, kommt man zur gleichen Schlussfolgerung.
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Mit dieser Methode werden Beobachtungen von gigantischen
Röngtenstrahlenausbrüchen, den sog. Soft Gamma Repeaters, die zu
den spektakulärsten Ereignissen im Universum zählen, analysiert.
Man glaubt dass es sich bei den stellaren Quellen dieser Ausbrüche um
Magnetare handelt, das sind
Neutronensterne mit den stärksten bekannten Magnetfeldern. Diese Felder
zerfallen und verschlingen sich, wodurch sie in periodischen
Abständen instabil werden. Bisweilen reißen die Feldlinien und formen
sich neu und verursachen so Ausbrüche von weicher Gammastrahlung.
Die Magnetfeldlinien sind fest mit der äußeren Kruste des Neutronensterns
verbunden und sollten, wenn sie reißen, auch die Kruste aufbrechen.
Es wird schon seit längerem erwartet, dass dies seismische
Vibrationen im Neutronestern auslösen könnte. Berechnungen zeigten,
dass ein spezieller Typ von Vibrationen, sog. Torsionsschermoden, mit
höchster Wahrscheinlichkeit angeregt werden sollten (Abb.1).
Einen Beweis für diese These brachte Ende 2004 die Beobachtung von
hochfrequenten Oszillationen in einem besonders energiereichen
Ausbruch des Soft Gamma Repeaters SGR 1806-20. Ein ähnliches
Phänomen wurde nachträglich in Daten eines früheren Ausbruchs bei
einem anderen Neutronenstern entdeckt. Die gemessenen Frequenzen stimmten
mit den Vorhersagen für Torsionsschermoden gut überein.
Die Frequenzen der seismischen Aktivitäten verraten viel über den
Aufbau und die Dicke der äußeren Kruste (siehe Research Highlight vom
Mai 2006). Sie geben aber auch Aufschluss über die Materie tief im
Innern des Neutronensterns. Der Druck ist dort so hoch, dass Neutronen
nicht mehr in Atomkernen, sondern frei existieren und sich eventuell sogar
in ihre Quarks aufspalten. Berechnungen des US Wissenschaftlers Ed
Witten in den 1980er Jahren sagten voraus, dass
sich unter diesen Umständen eine stabile Flüssigkeit aus up, down
und strange Quarks bilden könnte, ein Quarkstern.
Obwohl seitdem viele Anstrengungen unternommen wurden, herauszufinden, wie
man Quarksterne von normalen Neutronensternen unterscheiden
könnte, besteht darüber bis heute keine endgültige Klarheit.
Ein wichtiges Unterscheidungsmerkmal der beiden Typen kann die
Beschaffenheit der Krustenmaterie sein, durch welche sich die
Frequenzen seismischer Vibrationen verändern.
Zudem sollte die Kruste eines Quarksterns viel dünner sein,
was sich deutlich auf die hochfrequenten Oberschwingungen auswirken
muss. Aus diesem Grund fragten Anna Watts vom Max-Planck-Institut für
Astrophysik und ihr Kollege Sanjay Reddy vom Los Alamos National Laboratory
sich, ob die Magnetarbeobachtungen mit den Eigenschaften von Quarksternen
verträglich sind. Nun haben die beiden Wissenschaftler erstmals die
Frequenzen von Torsionsschermoden für die Krusten von Quarksternen
berechnet. Obwohl viele freie Parameter variiert wurden, kann kein
Krustenmodell eines Quarksterns die Beobachtungen erklären, im
Gegensatz zu Neutronensternmodellen (Abb.2).
"Dies ist ein sehr wichtiges Ergebnis für uns" sagt
Watts. "Unsere Berechnungen sagen einen deutlichen Unterschied
zwischen den Vibrationsfrequenzen von Quarksternkrusten und
Neutronensternkrusten voraus. Falls die seismologische Interpretation
der Beobachtungsdaten richtig ist --- und im Moment gibt es keine bessere
Erklärung --- haben wir eine sehr gute Methode gefunden, um die
Existenz von Quarksternen auszuschließen."
Anna Watts and Sanjay Reddy
Veröffentlichung
A.L.Watts & S. Reddy:
"Magnetar QPOs pose challenges for strange stars",
Physical Review Letters, eingereicht;
 astro-ph/0609364
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