Gepulste Gammastrahlung von einem Neutronenstern, der sich 707 mal pro Sekunde dreht

Der am zweitschnellsten rotierende bekannte Radiopulsar sendet auch Gammastrahlen aus. Multi-Messenger-Beobachtungen nehmen das System genauer unter die Lupe und werfen dabei neue Fragen auf.

19. September 2019

Ein internationales Forschungsteam unter der Leitung des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut; AEI) in Hannover hat herausgefunden, dass der Radiopulsar J0952-0607 auch gepulste Gammastrahlung abgibt. J0952-0607 dreht sich 707 mal pro Sekunde und liegt damit auf Platz zwei der schnell rotierenden Neutronensterne. Nun untersuchten Wissenschaftler*innen mit verschiedenen astronomischen Methoden das Doppelsternsystem des Pulsars und seines leichten Begleiters im Detail. Sie analysierten die über achteinhalb Jahre aufgenommenen Daten des Fermi-Gammastrahlen-Weltraumteleskops der NASA, außerdem Beobachtungen des LOFAR-Radioteleskops der letzten zwei Jahre, Beobachtungen von zwei großen optischen Teleskopen und Gravitationswellendaten von den LIGO-Detektoren. Ihre in der Fachzeitschrift The Astrophysical Journal veröffentlichte Studie zeigt, dass sich extreme Pulsarsysteme in den Fermi-Katalogen verstecken und motiviert zu weiteren Suchen. Obwohl die Analyse sehr umfangreich ist wirft sie auch neue Fragen zu diesem System auf.

Pulsare sind kompakte Überreste von Sternexplosionen, die starke Magnetfelder aufweisen und sich sehr schnell drehen. Wie kosmische Leuchttürme können sie je nach ihrer Ausrichtung zur Erde als Radiopulsar und/oder Gammapulsar beobachtet werden.

Ein Schwarzer-Witwen-Pulsar und sein kleiner stellarer Begleiter, betrachtet in ihrer Umlaufbahn. Starke Strahlung und der „Wind“ des Pulsars – ein Strom hochenergetischer Teilchen – erhitzen die ihm gegenüberliegende Seite des Stern auf Temperaturen, die doppelt so hoch sind wie die der Sonnenoberfläche. Der Pulsar verdampft allmählich seinen Partner, der das System mit ionisiertem Gas füllt und Astronom*innen daran hindert, den Radiostrahl des Pulsars zu erkennen.

Der schnellste Pulsar außerhalb eines Kugelsternhaufens

PSR J0952-0607 (der Name bezeichnet die Position am Himmel) wurde erstmals 2017 durch Radiobeobachtungen einer Quelle entdeckt, die vom Gammastrahlen-Weltraumteleskop Fermi als ein möglicher Pulsar identifiziert worden war. Gepulste Gammastrahlung wurde damals nicht in den Daten des Large Area Telescope (LAT) an Bord des Fermi-Satelliten gefunden. Beobachtungen mit dem Radioteleskop-Netzwerk LOFAR identifizierten eine pulsierende Radioquelle und erlaubten - zusammen mit optischen Teleskopbeobachtungen - die Messung der Eigenschaften des Pulsars. Er umkreist in 6,2 Stunden das gemeinsame Massenzentrum mit einem Begleitstern, der nur ein Fünfzigstel unserer Sonne wiegt. Der Pulsar dreht sich 707 Mal in einer einzigen Sekunde und ist damit der am schnellsten rotierende Neutronenstern in unserer Galaxie außerhalb der dichten stellaren Umgebung von Kugelhaufen.

Auf der Suche nach extrem schwachen Signalen

Mit diesen Informationen über das binäre Pulsarsystem begann Lars Nieder, Doktorand am AEI Hannover, zu untersuchen, ob der Pulsar auch gepulste Gammastrahlen emittiert. „Diese Suche ist äußerst anspruchsvoll, da das Fermi-Gammastrahlenteleskop in den achteinhalb Jahren Beobachtungszeit nur das Äquivalent von etwa 200 Gammastrahlen dieses schwachen Pulsars registrierte. Während dieser Zeit drehte sich der Pulsar selbst etwa 200 Milliarden Mal. Mit anderen Worten, nur einmal pro einer Milliarde Umdrehungen wurde ein Gammastrahl beobachtet“, erklärt Nieder. „Für jeden dieser Gammastrahlen muss die Suche präzise feststellen, wann genau er während der 1,4 Millisekunden dauernden Umdrehung abgegeben wurde.“

Dazu müssen die Daten mit sehr genauer Auflösung durchkämmt werden, um keine Signale zu verpassen. Die benötigte Rechenleistung ist enorm. Mit nur einem einzigen Computerkern hätte die sehr empfindliche Suche nach den schwachen Pulsationen in der Gammastrahlung 24 Jahre gedauert. Durch den Einsatz des Atlas-Computerclusters am AEI Hannover war sie jedoch in nur 2 Tagen erledigt.

Eine eigenartige erste Entdeckung

„Unsere Suche fand ein Signal, aber damit stimmte etwas nicht! Das Signal war sehr schwach und nicht genau dort, wo es sein sollte. Der Grund war ein Positionsfehler in den ersten Beobachtungen des optischen Teleskops, auf dessen Basis der Suchbereich festgelegt wurde. Unsere Entdeckung der Gammastrahlen von J0952-0607 deckte diesen Fehler auf“, erklärt Nieder. „In der Publikation über die Entdeckung des Radiopulsars wurde der Fehler korrigiert. Eine neue und erweiterte Gammapulsar-Suche machte eine schwache - aber statistisch signifikante - Gammapulsar-Entdeckung an der korrigierten Stelle.“

Nachdem das Team die gepulste Gammastrahlung des Pulsars entdeckt und bestätigt hatte, nahm es sich erneut die Fermi-Daten vor und analysierte die gesamten achteinhalb Jahre von August 2008 bis Januar 2017 mit noch höherer Auflösung, um die physikalischen Eigenschaften des Pulsars und seines binären Systems zu bestimmen. Da die Gammastrahlung von J0952-0607 so schwach ist, mussten die Wissenschaftler*innen ihre zuvor entwickelte Analysemethode erweitern, um die Unsicherheiten besser zu berücksichtigen.

Eine weitere Überraschung: Keine gepulste Gammastrahlung vor Juli 2011

Das Pulsprofil von J0952-0607 (Verteilung der Gammaphotonen während einer Umdrehung des Pulsars) ist oben dargestellt. Darunter ist die entsprechende Verteilung der einzelnen Photonen über die zehn Jahre der Beobachtungen gezeigt. Die Graustufen zeigen die Wahrscheinlichkeit (Photonengewichte), dass einzelne Photonen aus dem Pulsar stammen. Ab Mitte 2011 reihen sich die Photonen entlang dem Pulsprofil entsprechenden „Bahnen“ auf. Dies zeigt den Nachweis von Gammastrahlungspulsationen, der vor Mitte 2011 nicht möglich ist.

Das Ergebnis enthielt eine weitere Überraschung: in den Daten vor Juli 2011 war keine gepulste Gammastrahlung des Pulsars zu finden. Der Grund, warum der Pulsar erst nach diesem Datum gepulste Gammastrahlen abzugeben scheint, ist unbekannt. Möglicherweise variiert die Menge der von ihm emittierten Gammastrahlen, allerdings ist der Pulsar so schwach, dass es nicht möglich war, diese Hypothese mit ausreichender Genauigkeit zu testen. Änderungen in der Pulsarbahn, die in ähnlichen Systemen zu beobachten sind, könnten ebenfalls eine Erklärung bieten. Jedoch gibt es in den Daten keinen Hinweis darauf, dass dies der Fall war.

Optische Beobachtungen werfen weitere Fragen auf

Das Team nutzte auch Beobachtungen mit dem New Technology Telescope der ESO in La Silla und den Gran Telescopio Canarias auf La Palma, um den Begleitstern des Pulsars zu untersuchen. Er ist höchstwahrscheinlich so an den Pulsar gebunden wie der Mond an die Erde, dass seine eine Seite immer dem Pulsar zugewandt ist und sich durch dessen Strahlung erwärmt. Während der Begleiter den Massenschwerpunkt des binären Systems umkreist, sind abwechselnd seine heiße „Tag“-Seite und seine kühlere „Nacht“-Seite von der Erde aus sichtbar, wodurch die beobachtete Helligkeit und Farbe variieren.

Diese Beobachtungen geben ein weiteres Rätsel auf. Während die Radiobeobachtungen auf eine Entfernung von etwa 4.400 Lichtjahren zum Pulsar hinweisen, ergeben die optischen Beobachtungen eine etwa dreimal größere Entfernung. Wäre das System tatsächlich relativ erdnah, würde es einen noch nie da gewesenen, extrem kompakten Begleiter mit hoher Dichte enthalten. Größere Entfernungen hingegen sind mit den Dichten bekannter ähnlicher Pulsarbegleiter vereinbar. Schockwellen im Partikelstrom des Pulsars könnten eine mögliche Erklärung für diese Diskrepanz liefern: sie könnten zu einer anderen Erwärmung des Begleiters führen. Weitere Gammastrahlenbeobachtungen mit dem Fermi LAT-Teleskop sollten helfen, diese Frage zu beantworten.

Auf der Suche nach kontinuierlichen Gravitationswellen

Eine weitere Forschungsgruppe des AEI Hannover durchsuchte die Daten der LIGO-Gravitationswellendetektoren aus dem ersten (O1) und zweiten (O2) Beobachtungslauf nach kontinuierlich abgestrahlten Gravitationswellen des Pulsars. Pulsare können solche Gravitationswellen aussenden, wenn sie winzige Hügel oder Unebenheiten haben. Die Wissenschaftler*innen fanden keine Gravitationswellen, was bedeutet, dass die Form des Pulsars einer perfekten Kugel, deren höchste Unebenheiten kleiner als der Bruchteil eines Millimeters sind, sehr nahe kommen muss.

Schnell rotierende Neutronensterne

Das Verständnis sich schnell drehender Pulsare ist wichtig, da an ihnen extreme Physik getestet werden kann. Noch ist unbekannt, wie schnell sich Neutronensterne drehen können, bevor die Zentrifugalkräfte sie zerreißen. Dies hängt von ihrer nicht bekannten Kernphysik ab. Millisekunden-Pulsare wie J0952-0607 drehen sich so schnell, weil sie durch das Absaugen von Materie von ihrem Begleiter beschleunigt werden. Von diesem Prozess wird vermutet, dass er das Magnetfeld des Pulsars schwächt. Mit den Langzeit-Gammastrahlenbeobachtungen konnte das Forschungsteam zeigen, dass das Magnetfeld von J0952-0607 zu den zehn schwächsten Magnetfeldern zählt, die jemals für einen Pulsar gemessen wurden. Dies entspricht den theoretischen Erwartungen.

Einstein@Home sucht nach Testfällen extremer Physik

„Wir werden dieses System weiter mit Gamma-, Radio- und optischen Observatorien untersuchen, da es noch offene Fragen dazu gibt. Diese Entdeckung zeigt auch wieder einmal, dass sich extreme Pulsarsysteme im Fermi LAT-Katalog verstecken“, sagt Prof. Bruce Allen, Nieders Doktorvater und Direktor am AEI Hannover. „Wir nutzen auch Einstein@Home, unser Projekt zum freiwilligen verteilten Rechnen, um nach binären Gammapulsarsystemen in anderen Fermi LAT-Quellen zu suchen. Wir sind zuversichtlich, in Zukunft weitere spannende Entdeckungen zu machen.“

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