Magnetare - Wo die Physik an ihre Grenzen kommt

0:00 Willkommen zu einer neuen Folge von Schlafreise durch das Universum, deinem Podcast zum Entspannen, Loslassen und lernen. Kennst du schon unsere anderen Schlafreisereien wie Schlafreise durch vergessene Welten. Diese Episode ist eine faszinierende Reise zu den extremsten magnetischen Objekten des Kosmos, zu den Magnetaren, wo die Gesetze der Physik an ihre äußersten Grenzen stoßen.

0:29 Schlafreise zu Magnetaren, wo die Physik an ihre Grenzen stößt stell dir vor, es gibt einen Stern, dessen Magnetfeld so unvorstellbar stark ist, dass es einen Eisennagel aus 15000 Kilometern Entfernung zu Tode beschleunigen könnte. Stell dir vor, ein Magnetfeld so gewaltig, dass es in der Lage wäre, magnetische Energie abzugeben, die einer 1000000 Hiroshima Bomben entspricht. Und das in weniger als einer Sekunde. Ein Magnetfeld so extrem, dass es die molekulare Struktur von Materie verzerrt, Atome auseinander zieht und die Grenzen unserer physikalischen Theorien testet. Willkommen in der Welt der Magnetare, wo die Natur Szenarien schafft, die in jedem irdischen Lehrbuch unmöglich scheinen würden.

1:24 Die Geschichte der Magnetare beginnt nicht mit ihrer Entdeckung, sondern mit ihrem Ursprung, mit dem Ende eines massiven Sternes. Ein stern etwa 30 bis 40, mal schwerer als unsere Sonne, verbrennt über Millionen von Jahren sein nukleares Feuer, es ist ein stilles, unvermeidliches Drama, das sich in den Tiefen des Alls abspielt.

1:51 Wasserstoff wird zu Helium in einem sanften, immer währenden Fusionsprozess. Helium wird zu Kohlenstoff und Sauerstoff, dann zu Neon, zu Magnesium, zu Silizium. Schicht um Schicht wird der Kern immer schwerer, immer dichter, immer heißer, mit jeder neuen Fusionsstufe wird weniger und weniger energiefrei gesättigt. Der Stern muss schneller und schneller fusionieren, um sein eigenes Gewicht zu tragen.

2:24 Es ist wie ein Wettlauf gegen die Gravitation, ein Wettlauf, den der Stern unweigerlich verlieren wird, nach etwa 10000000 Jahren erreicht das Zentrum schließlich Eisen, Eisen ist das Ende der Fahnenstange. Wenn Eisen fusioniert, wird nicht Energie freigesetzt. Stattdessen muss Energie hineingepumpt werden. Der Stern hat seinen Brennstoff verbraucht, es gibt kein Zurück mehr, die Elektronen, die die Eisenatome zusammenhalten, werden in die Protonen gepresst und verwandeln sich in Neutronen, in einer Zehntelsekunde kollabiert der Kern, die Dichte nimmt zu wie nichts anderes im Universum, die.

3:11 Eine Masse größer als unsere Sonne wird in eine Kugel von vielleicht 20 kilometern Durchmesser gepresst. Die äußeren Schichten des Sternes stürzen hinterher schneller und schneller, bis sie mit dieser festen, unmovable Barriere des Neutronenkerns kollidieren. Das ist das Ende. Das ist der Anfang einer Supernova Explosion, die für Wochen Heller leuchtet als eine ganze Galaxie mit hunderten von Milliarden Sternen.

3:43 Was nach dieser Explosion übrig bleibt, ist ein Neutronenstern, eines der extremsten Objekte des Universums. Stell dir ein Objekt vor, das so dicht ist, dass ein Teelöffel seines Materials etwa 3 Milliarden Tonnen wiegen würde stell dir vor. Auf der Oberfläche dieses Objektes könnte man nicht stehen, weil die Gravitationskraft dich sofort in eine wifers Lage zerquetschen würde. Aber es gibt noch eine Kategorie von Neutronensternen, die noch extremer sind.

4:16 Die Magnetare Magnetare sind eine spezielle Unterklasse der Neutronensterne, eine kleine Gruppe von etwa 30 bekannten Objekten im gesamten Universum, was sie so außergewöhnlich macht, ist ihr Magnetfeld. Das stärkste Magnetfeld, das wir im gesamten bekannten Universum kennen, um dies in Perspektive zu setzen, wollen wir zunächst über Magnetfelder sprechen, wie wir sie kennen. Das Magnetfeld unserer Erde ist schwach und beruhigend, es beträgt etwa 0,5 Mikrotesla, das ist 0,000005 Tesla, ein Millionstel Tesla.

4:56 Dieses sanfte Feld schützt uns vom Sonnenwind und ermöglicht den Tieren, sich zu orientieren. Zugvögel navigieren entlang der Magnetfeldlinien unseres Planeten, Haie spüren schwache elektrische Signale, die durch die Bewegung von Ionen in diesem schwachen Magnetfeld erzeugt werden. Unser Magnetfeld ist wie ein unsichtbarer Schutzmantel, ein sanfter Wächter, der Leben ermöglicht.

5:24 Die stärksten künstlich erzeugten Magnetfelder auf der Erde erzeugt in speziellen Laboren, betragen etwa 45 Tesla. Diese werden für Bruchteile einer Sekunde aufrechterhalten, bevor die Spulen, die das Magnetfeld erzeugen, sich erhitzen und zu schmelzen beginnen. 45 Tesla ist eine beeindruckende Zahl für menschliche Technologie.

5:51 Es ist stark genug, um Metalle zu deformieren, Wasser zu levitieren und die menschliche Biologie zu beeinflussen. Ein Magnetar hat Magnetfelder von etwa einer billiarde Tesla, das ist eine 1 mit 15 Nullen, ein Magnetfeld etwa 25000000 Milliarden mal stärker als das Magnetfeld der Erde. Ist ein Magnetfeld so stark, dass es aus 15000 Kilometern Entfernung die Eisenatome in deinem Blut auseinanderreißen würde ein Magnetfeld so gewaltig, dass die Materie Struktur selbst deformiert würde.

6:31 Die Atome würden nicht mehr ihre normalen kugelförmigen Orbitale beibehalten, sondern würden sich in Richtung des Magnetfeldes ausziehen wie elliptische, nadelförmige Strukturen. Chemische Bindungen, wie sie normalerweise existieren, könnten nicht gebildet werden. Die Materie selbst würde ihre Identität verlieren. Die erste detaillierte Beobachtung eines Magnet ars ereignete sich am 27 August 1998 das Raumfahrzeug Batze der Burst and Transiant Source Experiment war an Bord des Compton Gemma Ray Observatory montiert.

7:14 Es registrierte einen gigantischen Ausbruch von Röntgen und Gammastrahlung aus Richtung des Sternbildes Adlers, aber dies war kein normaler Ausbruch. Die Energie, die in weniger als einer Zehntelsekunde freigesetzt wurde, übertraf die gesamte Energie, die die Sonne in einer 1000000 Jahren abgibt. Astronomen auf der ganzen Welt waren schockiert, sie nannten das Objekt SGR 1900 + 14.

7:43 Ein Soft Gamma Repeater, ein weicher Gamma, wiederholer, der Name war Programm. Diese Quelle würde sich im Laufe der Jahre immer wieder manifestieren, alle paar Jahre würde aus diesem mysteriösen Punkt am Himmel wieder eine intensive Gammastrahlung ausbrechen, das deutete auf etwas hin, das nicht explodierte und verschwand wie eine typische Supernova. Dies war ein Neutronenstern mit wiederholten Ausbrüchen, das. Und diese wiederholten Ausbrüche waren das Merkmal eines Magnetars, eines Neutronensternes mit einem ungewöhnlich starken Magnetfeld.

8:23 Das Verständnis der Magnetare erfordert tiefes Nachdenken über die Physik extremer Bedingungen, das Magnetfeld eines Magnetars wird nicht durch eine einfache Permanentmagnetisierung erzeugt, wie ein Eisenmagnete auf der Erde. Stattdessen wird es durch ein dynamisches Phänomen angetrieben, das sich in den allerfrühesten Momenten nach der Supernova Explosion abspielt. In den ersten Minuten nach dem Kollaps existiert der Neutronenkern bei einer Temperatur von etwa einer billiarde Grad Kelvin, bei solchen unvorstellbaren Temperaturen ist die Materie nicht mehr aus Atomen oder sogar Nukleonen zusammengesetzt.

9:10 Sie ist eine turbulente Suppe aus Quarks und Gluonen, eine primordiale Flüssigkeit, die man Quark gluon Plasma nennt. In dieser turbulenten Hitze entstehen Konvektionsströmungen und Magnetohydrodynamische Instabilitäten, das ursprüngliche schwache Magnetfeld des kollabierten Sternes wird von diesen Turbulenzen gefasst und amplifiziert. Dies ist ein Prozess, den Astrophysiker das Magnetohydrodynamische Dynamomodell nennen. Ähnliche Prozesse findet man in den Kernen anderer Sterne und sogar in den Kernen von Planeten, wo Magnetfelder erzeugt werden, aber bei einem kollabierenden Neutronenstern sind die Bedingungen so extrem, dass das Magnetfeld exponentiell verstärkt wird, es wird stärker

10:02 und stärker. Mit jeder Konvektionszelle, mit jeder turbulenten Wirbel. Dieser Verstärkungsprozess kann nicht unbegrenzt weitergehen. Irgendwann erreicht das Magnetfeld ein Plateau, einen Gleichgewichtszustand, in dem die verstärkende Kraft der Turbulenz durch andere physikalische Effekte ausgeglichen wird.

10:24 Für typische Neutronensterne ist dieses Plateau bei etwa 10 bis 100 Billionen Tesla erreicht. Aber für Magnetare möglicherweise, weil die ursprüngliche Turbulenz stärker war oder länger anhielt, wird ein viel höheres Plateau erreicht, etwa eine Billiarde Tesla oder sogar noch mehr, sobald das Magnetfeld diese extremen Stärken erreicht hat, wird der Neutronenstern zu einem Magnetar.

10:54 Aber diese Magnetfelder sind nicht statisch, sie sind nicht einfach, da, unbewegt und unveränderlich. Stattdessen sind sie energiegeladen, voller gespannter Kraft, wie eine Spannfeder, die unter enormem Druck steht, die Magnetfeldlinien um einen Magnetar sind in einem ständigen Zustand, der rekonfiguration Stress baut sich auf, wenn Teile des Magnetfeldes in verschiedene Richtungen zeigen. Diese gegensätzlichen Magnetfeldlinien können sich nicht lange koexistieren, es entstehen Spannungen. Gelegentlich, wenn diese Spannungen zu groß werden, tritt ein Magnetfeld Rekonnexionsereignis auf. Dies ist ein Phänomen, bei dem Magnetfeldlinien, die in entgegengesetzten Richtungen führen, durch die Ionisierte Materie hindurchdringen und sich

11:47 selbst neu verbinden. Dabei geben Sie ihre aufgebaute magnetische Energie frei, und zwar in der Form von intensiven Röntgen und Gammastrahlung. Ein solcher Rekonnexionsereignis kann ein Magnetarausbruch sein. Diese Ausbrüche sind nicht klein oder sanft, sie können Energiereich genug sein, um die Instrumente von Satelliten zu blenden, die sich Millionen von Kilometern entfernt im Weltall befinden, sie können Störungen in der Ionosphäre der Erde hervorrufen, obwohl der Magnetar Tausende von Lichtjahren entfernt ist.

12:27 Sie sind. Unter den spektakulärsten Ereignissen, die das Universum zu bieten hat. Die bekanntesten Magnetare, die wir heute kennen, sind SGR 1806 20 sgr, 1900 + 14 und 4 u 0142 + 61 sgr 1806 - 20 ist besonders berühmt und gefürchtet. Dieser Magnetar etwa 50000 Lichtjahre entfernt im Sternbild des Bogenschützen, ist ein etablierter Repeater. Ein Objekt, das regelmäßig ausbricht. Im Jahr 2004 erlebte sgr 1806 - 20 einen katastrophalen megafläre Ausbruch, einen Riesenausbruch, wie Astronomen es nennen.

13:19 Was an diesem Ereignis am 27 Dezember 2004 so außergewöhnlich war, war nicht nur die Intensität, sondern auch die Vielfalt der Daten, die es lieferte. Der Ausbruch war so hell, dass er sogar sternkataloge verfälschte, für fast eine Stunde war SGR 1806 - 20 eine der hellsten Röntgenquellen am Himmel.

13:44 Die Energie, die in nur einer Sekunde freigesetzt wurde, entsprach etwa 500000 Supernova, Explosionen, 500000 mal die Energie, die entsteht, wenn ein massiver Stern sein ganzes Leben verbrennt und dann katastrophal kollabiert. Alles in einer Sekunde aus einem Punkt am Himmel. Die Auswirkungen dieses Ausbruchs waren Planetenweit.

14:10 Auf der Erde wurden sie sogar von Magnetometern detektiert. Instrumenten, die kleine Änderungen in unserem Magnetfeld messen. Der Ausbruch war hell genug in Gammastrahlung, um eine begrenzte Veränderung in der Ionosphäre zu verursachen, dies ist absolut erstaunlich, dass ein Ereignis 50000 Lichtjahre entfernt die Atmosphäre unseres Planeten beeinflussen konnte. Es zeigt, wie unvorstellbar Energiereich dieser Ausbruch war.

14:39 Wenn ein solcher magneter Ausbruch von der Größe des SGR 1806 - 20 ausbruchs nur 10 Lichtjahre von der Erde entfernt auftreten würde, statt 50000 Lichtjahren noch immer eine kosmisch nächste Entfernung, würde die Folge für die Erde katastrophal sein. Ein solcher Ausbruch könnte das Ozonloch erneut öffnen und es noch schlimmer machen, es könnte die Elektronik aller Satelliten zerstören.

15:09 Es könnte Stromausfälle auf einem ganzen Kontinent verursachen. Und wenn wir Pech hätten, könnte die hochenergetische kosmische Strahlung, die der Ausbruch freisetzt, unser Magnetfeld durchdringen wie ein Messer durch Butter und eine Strahlenbelastung auf der Oberfläche verursachen, die alle höheren Lebensformen auslöschen würde. Es ist zum Glück extrem extrem unwahrscheinlich, dass dies passiert.

15:38 Magnetare sind selten, es gibt nur etwa 30 bekannte Magnetare im gesamten beobachtbaren Universum, in der Erde zugängliche Region mit Milliarden von Galaxien, jede mit Milliarden von Sternen. Die Chancen, dass einer von ihnen in unser kosmisches Nachbarschaft wandert, sind Infinitesimal klein. Wir sitzen in einer ruhigen Region unserer Galaxie, weit weg von den dramatischsten Ereignissen des Kosmos. Dies ist eine der vielen kosmischen Zufälligkeiten, die unserem Leben auf der Erde ermöglichen, die extremen Magnetfelder der Magnetare beeinflussen auch die Struktur der Materie selbst.

16:22 Auf subtile, aber fundamentale Weise. Die Quantenmechanik, die Gesetze, die normalerweise die Elektronenbahnen um Atome bestimmen, wird in solchen starken Magnetfeldern völlig verzerrt. Elektronen können nicht mehr frei in beliebigen Orbitalen um Atome kreisen, wie sie es in schwachen oder normalen Magnetfeldern tun, stattdessen werden sie in eng durchmesserartige Zylinder gezwängt, die sich entlang der Magnetfeldlinien erstrecken. Die Elektronen können sich nur in einer Dimension frei bewegen, entlang der Feldlinien aber senkrecht. Dazu sind sie völlig gefesselt.

17:06 Dies hat enorme Auswirkungen auf die Struktur der Materie. Atome sind nicht mehr kugelförmig, wie wir sie in Chemielehrbüchern zeichnen. Sie werden zu elongierten, nadelartigen Strukturen, die nur wenige Nanometer in einer Richtung erstrecken, aber vielleicht tausendfach länger in der anderen Richtung die Bindungen zwischen Atomen können sich nicht normal bilden, chemische Reaktionen, wie wir sie verstehen, funktionieren nicht.

17:38 Die Materie wird zu etwas Exotischem, das manchmal als Magnetarmaterie oder Spaghettimaterie bezeichnet wird. Es ist eine Form der Materie, die in keinem irdischen Labor erzeugt oder untersucht werden kann. Das Studium dieser exotischen Form der Materie ist von entscheidender Bedeutung für unser Verständnis der Physik unter extremen Bedingungen.

18:03 Theoretische Physiker mögen die Grenzfälle, die Extreme, die Orte, an denen ihre Theorien an ihre Grenzen stoßen. Ein Magnetar ist genauso ein Grenzfall, es zwingt uns, unsere Verständnis der Quantenmechanik, der Feldtheorie und der Kernphysik zu überdenken. Interessanterweise gibt es unter Astronomen eine theoretische Diskussion über noch extremere Objekte, die sogenannten Quark magnetare.

18:34 Diese würde ein hypothetisches Objekt sein, bei dem die Dichte so extrem ist, dass die neutronische Materie selbst unter dem Druck zusammenbricht und sich in ihre fundamentalen Komponenten zerlegt. In Quarks und Gluronen. Ein solches Objekt könnte möglicherweise noch stärkere Magnetfelder aufrechterhalten als typische Magnetare.

18:57 Aber ob Quark magnetare wirklich existieren, ist noch offen. Die aktuelle Beobachtungstechnologie reicht nicht aus, um solche exotischen Objekte eindeutig zu identifizieren und von normalen Magnetaren zu unterscheiden. Das Studium von Magnetaren ist also nicht nur ein Fenster in die Vergangenheit. Und die extreme Astrophysik?

19:23 Es ist auch ein Fenster in die Zukunft, in mögliche Formen der Materie, die wir noch nicht vollständig verstehen. Es ist ein Beispiel dafür, wie das Universum noch immer Überraschungen für uns bereithält, wenn wir genau hinsehen. Die Entdeckung von Magnetaren und ihr fortgehendes Studium demonstriert auch die unglaubliche Sensitivität moderner astronomischer Instrumente. Das Raumfahrzeug Swift, das Shandra X Ray Observatory und das XMM Newton Observatory sind spezialisierte Röntgen Observatorien, die Millionen von Kilometern im Weltall kreisen. Sie sind empfindlich genug, um einzelne hochenergetische Photonen zu zählen, die von Magnetherren stammen, die Tausende oder sogar Millionen

20:16 von Lichtjahren entfernt sind. Sie können die subtilsten Signale dieser fernen Objekte messen und ihnen eine reiche wissenschaftliche Geschichte erzählen, die Geschichte einer Katastrophe, eines Zusammenbruchs, einer neuen und extremen Form der Materie. Die Geschichte, wie ein Stern sein Leben endet und wie aus dieser Endenexplosion ein Objekt hervorgeht, das die Grenzen unseres Verständnisses testet.

20:50 Ein Objekt, das uns zwingt, unsere Theorien zu verfeinern und zu vertiefen, um die wahren Gesetze der Natur zu entdecken. Denke darüber nach, wie unglaublich weit unsere Fähigkeit gekommen ist, das Universum zu verstehen. Wir haben die Werkzeuge geschaffen, um die extremsten Objekte des Kosmos zu sehen und zu vermessen, wir haben Satelliten ins All geschickt, die Millionen von Kilometern über unseren Köpfen kreisen, wir haben die mathematischen Theorien entwickelt, um zu erklären, was dort geschieht.

21:29 Und während wir zu diesen fernen und extremen Objekten aufschauen und uns an ihrer Schönheit und ihrem Schrecken erfreuen, wird es Zeit, auch nach unten zu blicken, auf unseren eigenen Planeten, der inmitten dieser kosmischen Weite so klein und zerbrechlich ist. Unsere Erde, ein blauer Punkt im schwarzen Weltall, umgeben von einer dünnen Schicht aus Atmosphäre. Beschützt durch ein sanftes, beruhigendes Magnetfeld ist ein Paradies in einem Universum voller Gewalt und Extreme. Ein Magnetar könnte mit einem einzigen Ausbruch das Leben auf unserem Planeten auslöschen, falls er zu nahe wäre, aber wir haben das Glück, in einer ruhigen Gegend unserer Galaxie zu leben, fern von solchen katastrophalen Ereignissen unsere Sonne.

22:25 Ein stabiler und ruhiger Stern scheint sanft auf uns herab. Unsere Ozeane Wimmern von Leben in unzähligen Formen, unsere Kontinente sind voller Vielfalt, voller Farben, voller Licht und doch, und doch sieht es so aus, als würden wir in unserem Hochmut und unserer Kurzsichtigkeit diesen wundersamen Ort beschädigen. Der Klimawandel, den wir durch unsere Industrialisierung und Energieverschwendung verursachen, bedroht die Systeme, die Leben ermöglichen.

23:02 Die Meereserwärmung gefährdet Korallenriffe und die Fischgründe, von denen Milliarden Menschen abhängen, die Verschmutzung, Luft, Wasser und Bodenverschmutzung vergiftet langsam die Systeme, die uns am Leben erhalten. Die Abholzung zerstört alte Wälder und mit ihnen die Lebensräume von Millionen von Arten der Plastik, den wir produzieren, zerfällt in unzählige Teile und durchdringt sogar die tiefsten Ozeane Gräben, wenn wir zu den Magnetaren aufschauen und ihre extremen Magnetfelder betrachten, die Materie verzerren und zerreißen, sollten wir vielleicht auch an unseren Planeten denken.

23:47 Nicht nur als passive Beobachter des Universums, sondern auch als aktive, verantwortungsvolle Bewohner eines blauen Planeten, der geschützt und gepflegt werden muss. Die Wissenschaft, die uns befähigt hat, Magnetare zu entdecken, ist dieselbe Wissenschaft Dajus, die uns zeigt, wie fragil das Leben auf der Erde ist.

24:11 Es ist eine Wissenschaft, die uns beide zu den Sternen hebt und gleichzeitig uns nach Hause ruft, um das Kostbarste zu schützen, das wir haben, unseren Planeten, unser Zuhause, unser Leben. Während du nun in Gedanken von den extremsten Objekten des Universums Gleitest und dich in einen ruhigen, erholsamen Schlaf begibst.

24:35 Möge dir Bewusstsein, dass. Dass unter dir eine Welt voller Wunder liegt, die unsere volle Aufmerksamkeit und unsere Liebe verdient. Eine Welt, die es zu schützen gibt für die Generationen, die nach uns kommen, eine Welt, die nicht nur beobachtet, sondern aktiv gepflegt werden muss, so wie die Magnetare, die äußersten Grenzen der Physik erforschen, müssen wir die Grenzen unserer Verantwortung erforschen.

25:06 Verantwortlich gegenüber diesem einzigartigen blauen Punkt im Weltall, der unser einziges und Wahres zu Hause ist. Eine Erde, die wir lieben und schützen müssen, mit all unserer Kraft, all unserem Verstand und all unserem Herzen.