Wie schwer ist ein Teelöffel Neutronenstern?

Neutronensternmaterie hat noch nie jemand aufgelöffelt, die Zahl ist also unsere Schätzung, berechnet aus vermessenen Sternen. Das Röntgenteleskop NICER der NASA auf der Internationalen Raumstation hat Neutronensterne mit etwa 1,4 Sonnenmassen und Radien von rund 11 bis 13 km vermessen. Wir haben 1,4 Sonnenmassen und einen Radius von 12 km angesetzt, eine Kugel von etwa 24 km Durchmesser.

Die Rechnung: 1,4 × 1,989 × 10³⁰ kg sind etwa 2,8 × 10³⁰ kg. Eine Kugel mit 12.000 m Radius hat ein Volumen von 4/3 × π × 12.000³, etwa 7,2 Billionen m³. Masse geteilt durch Volumen ergibt eine mittlere Dichte von etwa 385 Billionen kg pro Kubikmeter. Ein 5-ml-Teelöffel sind 0,000005 m³, er fasst also etwa 1,9 Milliarden Tonnen, gerundet 2 Milliarden.

Die NASA rundet gröber und sagt, ein Teelöffel Neutronensternmaterie wöge auf der Erde eine Milliarde Tonnen. Andere verbreitete Angaben reichen bis 5 oder 6 Milliarden Tonnen, weil sie dichtere Materie aus dem tieferen Inneren des Sterns annehmen. In der Größenordnung sind sich alle einig: Milliarden Tonnen in einem Löffel.

Ein Neutronenstern ist nicht überall gleich dicht. Die Dichte steigt mit der Tiefe, von etwa 1 Milliarde kg pro Kubikmeter in der Kruste auf geschätzte 600 bis 800 Billionen kg pro Kubikmeter im Kern. Ein Teelöffel aus der Kruste wöge nur etwa 5 Tonnen, ein Teelöffel aus dem Kern 3 bis 4 Milliarden Tonnen.

Die mittlere Dichte liegt nahe an der eines Atomkerns. Woraus der Kern besteht, ist noch offen: Die NASA beschreibt Modelle mit gewöhnlichen Neutronen und Protonen und andere, in denen ein Teil des Kerns aus exotischer Materie aus Quarks besteht. Das zu klären, ist das Hauptziel von NICER.

Neutronensterne sind nicht alle gleich, und der Radius macht viel aus, weil das Volumen mit seiner dritten Potenz wächst. PSR J0437-4715, mit etwa 510 Lichtjahren der nächstgelegene Millisekundenpulsar, hat 1,42 Sonnenmassen in 11,4 km Radius, was etwa 460 Billionen kg pro Kubikmeter und 2,3 Milliarden Tonnen pro Teelöffel ergibt.

PSR J0030+0451 hat etwa dieselbe Masse, misst aber etwa 26 km im Durchmesser, sein durchschnittlicher Löffel ist also leichter, etwa 1,5 Milliarden Tonnen. PSR J0740+6620, mit etwa 2,1 Sonnenmassen der schwerste bekannte Neutronenstern, hat rund 24,8 km Durchmesser, was etwa 2,6 Milliarden Tonnen ergibt. Diese Größen sind mit Unsicherheiten von mehreren Prozent oder mehr behaftet, und weil der Radius hoch drei eingeht, sind die Unsicherheiten der Dichte etwa dreimal so groß.