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Kann es einen „Stern im Stern“ geben?
Zwei in einem: Einer Theorie zufolge gibt es im Universum Sterne, die einen kompletten Neutronenstern in sich tragen – verborgen in ihrem Sternenkern. Solche sogenannten Thorne-Żytkow-Objekte entstehen demnach, wenn ein Neutronenstern mit seinem massereichen Partnerstern verschmilzt, ohne dass es zur Explosion kommt. Doch wie wahrscheinlich ist dies? Das haben Astronomen jetzt am Beispiel eines Röntgendoppelsterns näher untersucht.
Bei massereichen Doppelsternsystemen explodiert oft einer der Partnersterne vor seinem Begleiter. Als Folge dieser Supernova wird er zum Neutronenstern oder Schwarzen Loch. Bei besonders engen Doppelsternen wird dann der verbliebene Partnerstern von diesem Überrest angezogen, bis beide kollidieren. Normalerweise löst dies ebenfalls eine Supernova aus, bei der nur noch ein Schwarzes Loch mit umgebender Akkretionsscheibe übrigbleibt.
Doch ist eine solche kollisionsbedingte Supernova wirklich unumgänglich? Einer schon in den 1970er Jahren postulierten Theorie nach nicht. Denn sie geht davon aus, dass Neutronenstern und ein Partnerstern eine solche Kollision unter bestimmten Bedingungen ohne Explosion überstehen können. Das Resultat dieser Verschmelzung wäre dann ein exotisches Objekt, bei dem der Neutronenstern in den Kern seines Partners gesunken ist und dort bleibt. Tatsächlich haben Astronomen einige Kandidaten für solche Thorne-Żytkow-Objekte (TZO) gefunden, deren wahre Natur ist aber ungeklärt.
Aber wie realistisch ist dieses Szenario? Könnte es Thorne-Żytkow-Objekte tatsächlich geben? Dies haben Tenley Hutchinson-Smith von der University of California von Santa Cruz und ihre Kollegen näher untersucht. Als Testfall nutzten sie den realen Röntgendoppelstern LMC X-4, ein Doppelsternsystem in der Großen Magellanschen Wolke. Dieses besteht aus einem rund 1,67 Sonnenmassen schweren Neutronenstern und einem rund 18 Sonnenmassen schweren Überriesen. Beide Objekte umkreisen sich sehr eng mit einer Umlaufzeit von nur rund 1,4 Tagen.
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„LMC X-4 scheint damit ein idealer Kandidat für den Vorläufer eines Thorne-Żytkow-Objekts zu sein – eines verschmolzenen Sternenrests mit eingebettetem Neutronenstern im Kern“, erklären die Astronomen. Denn irgendwann in ferner Zukunft werden beide Partner miteinander kollidieren und verschmelzen. Was dabei passieren könnte – und unter welchen Bedingungen der Neutronenstern ohne Explosion ins Zentrum des Partnersterns sinken würde, haben Hutchinson-Smith und seine Kollegen mithilfe eines astrophysikalischen Modells nachvollzogen.
Das Szenario beginnt mit der spiraligen Annäherung des Neutronensterns an seinen Partnerstern und seinem Eintritt in die Hülle des Sterns. Dabei verliert der Neutronenstern Tempo und Energie durch Reibung, im Gegenzug schleudert die auf den Stern übertragene Energie einen kleinen Teil von dessen Hülle ins All. „Unseren Simulationen zufolge gehen rund 1,4 Sonnenmassen der stellaren Hülle verloren, bis der Neutronenstern die äußere Grenze des Sternenkerns erreicht hat“, berichten Hutchinson-Smith und sein Team.
Nun folgt die nächste Phase: „Als Folge der Verschmelzung überträgt der Neutronenstern Energie, Masse und Drehimpuls auf den Kern seines Partnersterns“, berichten die Astronomen. Dadurch beginnt sich der Sternenkern schneller zu drehen und es bildet sich um ihn herum eine rotierende Scheibe aus stellarem Material. Währenddessen sinkt der Neutronenstern in den Kern hinein. „LMC X-4 entwickelt sich dadurch zu einem schnell wachsenden Neutronenstern, der vom rotierenden Sternenkern umgeben ist“, schreiben die Forschenden.
Für kurze Zeit könnte ein solches System demnach tatsächlich zu einem „Stern im Stern“ werden – zu einem Thorne-Żytkow-Objekt. Allerdings hält diese Phase nicht lange an, wie die Simulationen ergaben. Denn der Neutronenstern wird durch seine zunehmende Masse schn