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Originalveröffentlichung

1.
B. Knispel et al.
Arecibo PALFA Survey and Einstein@Home: Binary Pulsar Discovery by Volunteer Computing

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Neutronenstern tanzt mit Partner perfekt im Kreis

Das Paar entpuppt sich als Testkandidat für die Allgemeine Relativitätstheorie

6. April 2011

Neutronensterne sind Exoten. Sie bestehen aus Materie, die viel dichter gepackt ist als gewöhnlich und rotieren mit hohem Tempo um die eigene Achse. Dabei senden sie Strahlung aus und werden häufig als Pulsare im Radiowellenbereich sichtbar. Forscher des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik in Hannover haben im Rahmen der internationalen PALFA- Kollaboration und dank engagierter Teilnehmer am Projekt Einstein@Home nun einen Pulsar entdeckt, der gemeinsam mit einem Weißen Zwerg – einer ausgebrannten Sonne – einen perfekten Kreistanz aufführt. Anhand des sogenannten Shapiro-Effekts wollen die Forscher das Paar wiegen.

Aus den Daten gefischt
Um knifflige Fragestellungen der Allgemeinen Relativitätstheorie zu beantworten, bleibt den Wissenschaftlern meist nur der Blick tief ins All. Und selbst dort sind die geeigneten astrophysikalischen Objekte aus dem Datenwust oft nur mit großer Mühe herauszufiltern. Deshalb lassen sich die Wissenschaftler bei der zeitaufwendigen Datenanalyse von Freiwilligen helfen, die für Projekte wie Einstein@Home ungenutzte Rechenleistung ihrer Heim- oder Bürocomputer zur Verfügung stellen.

Mit dieser Unterstützung fand die Arbeitsgruppe von Bruce Allen, Direktor am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut / AEI) in Hannover, gemeinsam mit Kollegen der PALFA- Kollaboration den Radiopulsar J1952+2630. Die Forscher wurden in den Daten des Arecibo-Teleskops fündig. „Ich bin sehr begeistert, dass das Einstein@Home-Team einen weiteren exotischen Radiopulsar aufgespürt hat. Diese erstaunlichen Objekte sind wirklich extrem, auf ein Drittel ihrer Größe zusammengedrückt, würden sie zu einem Schwarzen Loch kollabieren“, sagt Allen. „Ein großes Dankeschön geht an die Tausenden Freiwilligen, ohne die wir die Entdeckung nicht gemacht hätten.“

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Eine sehr seltene Spezies
J1952+2630 blitzt alle 20,7 Millisekunden einmal auf und befindet sich in einer Entfernung von rund 31000 Lichtjahren von der Erde. Aus der Modulation der Radiopulse schlossen die Astronomen, dass der Pulsar einen Partnerstern mit einer Mindestmasse von 95 Prozent der Sonnemasse besitzt. Der Tanz beider Himmelskörper einmal um den gemeinsamen Schwerpunkt dauert 9,4 Stunden und ist nahezu perfekt kreisförmig.

Aus dieser Bahnform ziehen die Astrophysiker wichtige Schlüsse über Natur und Entwicklungsgeschichte des Begleiters, den sie gar nicht direkt sehen können: Er ist wahrscheinlich ein (verhältnismäßig schwerer) Weißer Zwerg – ein ausgedienter Stern, der einmal ein recht gewöhnliches Dasein geführt hat, so wie unsere Sonne auch. Am Ende seines Lebens blähte er sich zu einem Roten Riesen auf und stieß die äußere Materieschicht ab. Einen Teil dieser Materie saugte dann der Neutronenstern auf.

Die beiden Sterne tauschten auch (Bahn-)Drehimpuls aus, wobei sich ihre Umlaufbahnen in perfekte Kreise verwandelten. Hätte der Stern früher deutlich mehr Masse als die Sonne besessen, dann hätte er sich am Ende seines Lebens bei einer Supernova-Explosion ebenfalls in einen Neutronenstern verwandelt. Und durch den dabei entstehenden Impuls wäre er asymmetrisch in eine elliptische Bahn gekickt worden.

Die Kombination aus einem Neutronenstern und einem recht massereichen Weißen Zwerg bei kreisrunder Umlaufbahn ist selten; gewöhnlich haben Weiße Zwerge bei solchen Bahnorbits lediglich 0,1 bis 0,3 Sonnenmassen. Und gerade einmal ein halbes Dutzend der rund hundert bekannten Zweifachsternsysteme mit Pulsar weisen diese Eigenschaften auf. Bisher kennen die Astronomen 1900 Pulsare, Einzelgänger eingeschlossen.

Licht auf krummen Wegen
„Dank der relativ hohen Masse des Begleiters eignet sich dieses Doppelsternsystem vermutlich zum Testen eines allgemeinrelativistischen Phänomens, nämlich dem der Laufzeitverzögerung von Licht“, sagt Bruce Allens Doktorand Benjamin Knispel. „Damit könnten wir auch die Massen der beiden Komponenten exakt bestimmen.“

Dieser auch als Shapiro-Verzögerung bezeichnete Effekt entsteht, wenn sichtbares Licht oder Radiowellen auf dem Weg durchs All ein Gravitationsfeld, etwa das eines Sterns, passiert. Das Schwerefeld lenkt die Strahlen von der geraden Bahn ab. Für diesen Umweg braucht das Licht aber etwas mehr Zeit. Während sich nun ein Weißer Zwerg in die Sichtlinie zwischen Pulsar und Erde schiebt, müssen die regelmäßig vom Neutronenstern ausgesandten Radiopulse eine immer weitere Strecke zurücklegen.

Auf diese Weise treffen die Pulse nacheinander in jeweils größerem zeitlichem Abstand beim Beobachter ein. „Um dies zu messen, müssen wir möglichst von der Seite auf das System blicken, also auf die Kante der Bahnebene, sodass der Radiopuls des Neutronensterns bei bestimmten räumlichen Konstellationen das Schwerefeld des Weißen Zwergs auf dem Weg zu uns durchläuft“, sagt Knispel. Mit dieser Methode ließen sich die beiden Sterne wiegen. Hierzu plant Benjamin Knispel schon zusammen mit seinen Kollegen die nächsten Beobachtungen.

Weitere Informationen:

Das Pulsar ALFA (PALFA)-Konsortium wurde im Jahr 2003 gegründet mit dem Ziel, eine großangelegte Pulsardurchmusterung mit dem Arecibo-Teleskop durchzuführen. Ihm gehören Astronomen von 20 Universitäten, Instituten und Observatorien weltweit an.

Einstein@Home
ist mit mehr als 290.000 Teilnehmern eines der weltweit größten Projekte für verteiltes Rechnen. Es wurde 2005 ins Leben gerufen und sucht seitdem in den Daten der Detektoren der internationalen LIGO/Virgo/GEO Kollaboration nach Gravitationswellen. Seit 2009 werden 35 Prozent der verfügbaren Rechenleistung verwendet, um die PALFA-Kollaboration bei ihrer Arbeit zu unterstützen.

Die beiden Amateurwissenschaftler, deren Computer das höchste Signal der Datenanalyse fand, sind Vitaly V. Shiryaev (Moskau, Russland) und Stacey Eastham (Darwen, Großbritannien). Sie werden in der Danksagung der Veröffentlichung namentlich genannt.

 
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