Quelle: Max-Planck-Institut für Radioastronomie 23. November 2023.

23. November 2023 – Ein internationales Forscherteam unter der Leitung von Michael Kramer und Kuo Liu vom Bonner Max-Planck-Institut für Radioastronomie hat eine seltene Art ultradichter Sterne, so genannter Magnetare, untersucht, um ein zugrunde liegendes Gesetz zu entdecken, das universell für eine ganze Reihe von Objekten, die so genannten Neutronensterne, zu gelten scheint. Dieses Gesetz gibt Aufschluss darüber, wie diese Quellen Radiostrahlung erzeugen, und es könnte eine Verbindung zu den rätselhaften Strahlungsausbrüchen (Fast Radio Bursts) herstellen, die im fernen Universum angesiedelt sind.

Neutronensterne sind die kollabierten Kerne massereicher Sterne, bei denen bis zu zwei Sonnenmassen in einer Kugel von weniger als 25 km Durchmesser konzentriert sind. Infolgedessen ist die Materie dort die am dichtesten gepackte im beobachtbaren Universum, wobei Elektronen und Protonen zu Neutronen komprimiert werden; daher der Name für diese Objekte. Mehr als 3000 Neutronensterne können als Radiopulsare beobachtet werden, die einen gebündelten Radiostrahl aussenden, der von der Erde aus als pulsierendes Signal sichtbar ist, wenn der rotierende Pulsar sein Licht in Richtung unserer Teleskope abstrahlt.

Das Magnetfeld von normalen Pulsaren ist bereits Billionen Mal stärker als das Magnetfeld der Erde, aber es gibt eine kleine Gruppe von Neutronensternen, deren Magnetfeld sogar noch 1000 Mal stärker ist! Dies sind die so genannten Magnetare. Von den etwa 30 bekannten Magnetaren wurden sechs auch als Radiostrahler entdeckt, zumindest zeitweise. Um diesen Zusammenhang zu untersuchen, haben Forscher des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie (MPIfR) mit Unterstützung von Kollegen der Universität Manchester die einzelnen Pulse von Magnetaren im Detail untersucht und eine Unterstruktur in ihnen entdeckt. Es stellte sich heraus, dass eine ähnliche Pulsstruktur auch in Pulsaren, in schnell rotierenden Millisekunden-Pulsaren, und in weiteren Neutronensternquellen, den so genannten „Rotating Radio Transients“, beobachtet wurde.

Zu ihrer Überraschung stellten die Forscher fest, dass die Zeitskalen von Magnetaren und die der anderen Arten von Neutronensternen alle der gleichen universellen Beziehung folgen und genau mit der Rotationsperiode skalieren. Die Tatsache, dass sich ein Neutronenstern mit einer Rotationsperiode von weniger als ein paar Millisekunden und ein Neutronenstern mit einer Periode von fast 100 Sekunden wie ein Magnetar verhalten, deutet darauf hin, dass der eigentliche Ursprung der Subpulsstruktur bei allen Neutronensternen, die Radiostrahlung aussenden, derselbe sein muss. Das gibt Informationen über den Plasmaprozess, der für die Radioemission verantwortlich ist, und bietet eine Möglichkeit, ähnliche Strukturen, die in FRBs zu sehen sind, als Ergebnis einer entsprechenden Rotationsperiode zu interpretieren.

„Als wir damit anfingen, die Emission von Magnetaren mit der von FRBs zu vergleichen, erwarteten wir durchaus Ähnlichkeiten“, erinnert sich Michael Kramer, Erstautor der Studie und Direktor am MPIfR. „Was wir nicht erwartet haben, ist, dass alle radiostrahlenden Neutronensterne diese universelle Skalierung teilen.“

„Wir gehen davon aus, dass Magnetare durch Magnetfeldenergie angetrieben werden, während die anderen durch ihre Rotationsenergie angetrieben werden“, ergänzt Kuo Liu. „Einige sind sehr alt, andere sehr jung, und doch scheinen alle diesem Gesetz zu folgen.“

Gregory Desvignes beschreibt das Experiment: „Wir haben die Magnetare mit dem 100-m-Radioteleskop in Effelsberg beobachtet und unsere Ergebnisse auch mit Archivdaten verglichen, da Magnetare nicht ständig Radioemission aussenden.“ „Da die Radioemission von Magnetaren nicht immer vorhanden ist, muss man flexibel sein und schnell reagieren, was mit Radioteleskopen wie dem in Effelsberg auch möglich ist“, ergänzt Ramesh Karuppusamy.

Für Ben Stappers, Mitautor der Studie, ist der spannendste Aspekt des Ergebnisses die mögliche Verbindung zu FRBs: „Wenn zumindest einige FRBs von Magnetaren verursacht werden, könnte die Zeitskala der Substruktur im Strahlungsausbruch uns die Rotationsperiode der zugrunde liegenden Magnetarquelle verraten. Wenn wir diese Periodizität in den Daten finden, wäre dies ein Meilenstein für die Erklärung dieser Art von FRBs als Radioquellen.“

„Mit den neuen Ergebnissen machen wir uns nun auf, das Rätsel zu lösen“, schließt Michael Kramer.

Weitere Informationen
Magnetare gehören zu den energiereichsten Neutronensternen, was auf ihre extrem starken Magnetfelder zurückzuführen ist. Von den über dreißig bisher entdeckten Magnetaren sind nur sechs bekannt, die Radioemission zeigen. In letzter Zeit hat das Forschungsinteresse an ihren Eigenschaften drastisch zugenommen, da sie möglicherweise mit schnellen Radiostrahlungsausbrüchen (FRBs) in Verbindung stehen. FRBs sind kurzzeitige Ausbrüche von Radioemissionen von nur wenigen Millisekunden Dauer, die von außergalaktischen Quellen erzeugt werden. Obwohl der Ursprung der FRBs noch nicht geklärt ist, wird spekuliert, dass Magnetare eine der möglichen FRB-Quellen darstellen.

Schon bald nach der Erstentdeckung von Pulsaren wurden Substrukturen mit kurzzeitiger, konzentrierter Emission in ihrem Radiosignal gefunden. Typischerweise hat die Substruktur eine charakteristische Quasiperiodizität und Breite, die beide mit der Rotationsperiode des Pulsars skalieren. Diese Beziehung ist seit Jahrzehnten für normale Pulsare bekannt und wurde in den letzten Jahren auf die Millisekunden-Pulsare ausgedehnt. In jüngster Zeit wurde die gleiche Art von Mikroimpulsen kurzer Dauer auch bei einigen FRBs beobachtet. Das deutet darauf hin, dass bei all diesen kosmischen Quellen ein ähnlicher Emissionsprozess zugrunde liegt.

Für die Untersuchung wurden Beobachtungen von allen sechs Magnetaren verwendet, die Radioastrahlung aussenden. Die Beobachtungen wurden mit dem 100-m-Radioteleskop in Effelsberg im CX-Band (zwischen 4 und 8 GHz) und einigen anderen Radioteleskopen der 100-m-Klasse rund um den Globus durchgeführt.

Autoren der Veröffentlichung sind Michael Kramer, Kuo Liu, Gregory Desvignes, Ramesh Karuppusamy und Ben W. Stappers. Die ersten vier Autoren sind Mitarbeiter des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie.

Originalpublikation:
M. Kramer et al.: “Quasi-periodic sub-pulse structure as a unifying feature for radio-emitting neutron stars”, in Nature Astronomy, 23 November 2023
doi.org/10.1038/s41550-023-02125-3
https://www.nature.com/articles/s41550-023-02125-3
prf: https://www.nature.com/articles/s41550-023-02125-3.pdf

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• Neutronensterne, Pulsare, Magnetare

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Quelle: ESON 19. Oktober 2023.

19. Oktober 2023 – Die Quelle wurde mit dem Very Large Telescope (VLT) der Europäischen Südsternwarte (ESO) in einer Galaxie lokalisiert, die so weit entfernt ist, dass ihr Licht acht Milliarden Jahre gebraucht hat, um uns zu erreichen. Der Radioblitz ist auch einer der energiereichsten, die je beobachtet wurden; in einem winzigen Bruchteil einer Sekunde gab er die äquivalente Energiemenge von 30 Jahren der Gesamtemission unserer Sonne frei.

Die Entdeckung des Ausbruchs, genannt FRB 20220610A, wurde im Juni des letzten Jahres vom ASKAP-Radioteleskop in Australien gemacht [1] und übertraf den bisherigen Distanzrekord des Teams um 50 Prozent.

„Mit dem ASKAP-Antennenfeld konnten wir genau bestimmen, woher der Ausbruch kam“, erläutert Stuart Ryder, Astronom von der Macquarie University in Australien und einer der Hauptautoren der heute in der Fachzeitschrift Science veröffentlichten Studie. „Dann haben wir [mit dem VLT der ESO] in Chile nach der Quellgalaxie gesucht [2] und haben festgestellt, dass sie älter und weiter entfernt ist als jede andere bisher gefundene Radioblitz-Quelle und wahrscheinlich innerhalb einer kleinen Gruppe verschmelzender Galaxien liegt.“

Die Entdeckung bestätigt, dass schnelle Radioblitze dazu verwendet werden können, die „fehlende“ Materie zwischen Galaxien zu messen und somit eine neue Möglichkeit bieten, das Universum zu „wiegen“.

Aktuelle Methoden zur Schätzung der Masse des Universums liefern widersprüchliche Antworten und stellen das Standardmodell der Kosmologie infrage. „Wenn wir die Menge an normaler Materie im Universum zählen – den Atomen, aus denen wir alle bestehen – stellen wir fest, dass mehr als die Hälfte von dem, was heute vorhanden sein sollte, fehlt“, sagt Ryan Shannon, Professor an der Swinburne University of Technology in Australien, der die Studie ebenfalls leitete. „Wir vermuten, dass sich die fehlende Materie im Raum zwischen den Galaxien verbirgt, aber sie ist vielleicht so heiß und diffus, dass sie mit üblichen Techniken nicht sichtbar ist.“

„Schnelle Radioblitze erkennen dieses ionisierte Material. Selbst in einem nahezu perfekt leeren Raum können sie alle Elektronen sehen, und das ermöglicht es uns, zu messen, wie viel Materie zwischen den Galaxien ist“, erklärt Shannon.

Das Auffinden entfernter schneller Radioblitze ist entscheidend für die genaue Messung der fehlenden Materie des Universums, wie der verstorbene australische Astronom Jean-Pierre (J-P) Macquart 2020 nachgewiesen hat. „J-P hat gezeigt, dass je weiter ein schneller Radioblitz entfernt ist, desto mehr diffuse Gase er zwischen den Galaxien nachweisen kann. Dies wird jetzt als Macquart-Beziehung bezeichnet. Einige kürzlich aufgetretene schnelle Radioblitze schienen diese Beziehung zu brechen. Unsere Messungen bestätigen, dass die Macquart-Beziehung bis über die Hälfte des bekannten Universums hinausreicht“, erläutert Ryder.

„Während wir immer noch nicht wissen, was diese massiven Ausbrüche von Energie verursacht, bestätigt die Studie, dass schnelle Radioblitze häufige Ereignisse im Kosmos sind und dass wir sie verwenden können, um Materie zwischen Galaxien zu erkennen und die Struktur des Universums besser zu verstehen“, ergänzt Shannon.

Das Ergebnis stellt die Grenze dessen dar, was heute mit Teleskopen erreicht werden kann, obwohl Astronomen in Kürze über Mittel verfügen werden, um noch ältere und fernere Ausbrüche zu erkennen, ihre Quellgalaxien zu bestimmen und die fehlende Materie des Universums zu messen. Das internationale Square Kilometre Array Observatory baut derzeit zwei Radioteleskope in Südafrika und Australien, die Tausende von schnellen Radioblitzen auspüren können, einschließlich sehr entfernter, für die aktuelle Einrichtungen blind sind. Das Extremely Large Telescope der ESO, ein 39-Meter-Teleskop im Bau in der chilenischen Atacama-Wüste, wird eines der wenigen Teleskope sein, das in der Lage ist, die Quellgalaxien von Ausbrüchen noch weiter entfernt als FRB 20220610A zu studieren.

Endnoten
[1] Das ASKAP-Teleskop gehört der CSIRO, der nationalen Wissenschaftsagentur Australiens, und wird von ihr auf dem Land der Wajarri Yamaji in Westaustralien betrieben.

[2] Das Team verwendete Daten, die mit den Instrumenten FOcal Reducer and low dispersion Spectrograph 2 (FORS2), X-shooter und High Acuity Wide-field K-band Imager (HAWK-I) am VLT der ESO gewonnen wurden. Daten vom Keck-Observatorium in Hawai’i, USA, wurden ebenfalls in der Studie verwendet.

Weitere Informationen
Diese Forschungsarbeit wurde in einem Artikel mit dem Titel „A luminous fast radio burst that probes the Universe at redshift 1“ vorgestellt, der in Science erscheinen wird.

Das Team besteht aus S. D. Ryder (Fakultät für Mathematik und Naturwissenschaften, Macquarie University, Australien [SMPS]; Forschungszentrum für Astrophysik und Raumtechnologien, Macquarie University, Sydney, Australien [ASTRC]), K. W. Bannister (Nationale Einrichtung für Teleskope in Australien, Organisation für Wissenschaft und Industrieforschung, Weltraum und Astronomie, Australien [CSIRO]), S. Bhandari (Niederländisches Institut für Radioteleskopie, Niederlande; Gemeinsames Institut für Very Long Baseline Interferometry in Europa, Niederlande), A. T. Deller (Zentrum für Astrophysik und Supercomputing, Swinburne University of Technology, Australien [CAS]), R. D. Ekers (CSIRO; Internationales Zentrum für Radioastronomie-Forschung, Curtin Institute of Radio Astronomy, Curtin University, Australien [ICRAR]), M. Glowacki (ICRAR), A. C. Gordon (Zentrum für interdisziplinäre Erforschung und Astrophysik, Northwestern University, USA [CIERA]), K. Gourdji (CAS), C. W. James (ICRAR), C. D. Kilpatrick (CIERA; Abteilung für Physik und Astronomie, Northwestern University, USA), W. Lu (Abteilung für Astronomie, University of California, Berkeley, USA; Theoretical Astrophysics Center, University of California, Berkeley, USA), L. Marnoch (SMPS; ASTRC; CSIRO; Australisches Forschungsrat-Zentrum für allumfassende Astrophysik in 3 Dimensionen, Australien), V. A. Moss (CSIRO), J. X. Prochaska (Abteilung für Astronomie und Astrophysik, University of California, Santa Cruz, USA [Santa Cruz]; Kavli-Institut für Physik und Mathematik des Universums, Japan), H. Qiu (SKA Observatory, Jodrell Bank, Vereinigtes Königreich), E. M. Sadler (Sydney Institute for Astronomy, School of Physics, University of Sydney, Australien; CSIRO), S. Simha (Santa Cruz), M. W. Sammons (ICRAR), D. R. Scott (ICRAR), N. Tejos (Institut für Physik, Pontificia Universidad Católica de Valparaíso, Chile) und R. M. Shannon (CAS).

Über die ESO
Die Europäische Südsternwarte (ESO) befähigt Wissenschaftler*innen weltweit, die Geheimnisse des Universums zum Nutzen aller zu entdecken. Wir entwerfen, bauen und betreiben Observatorien von Weltrang, die Astronominnen und Astronomen nutzen, um spannende Fragen zu beantworten und die Faszination der Astronomie zu wecken, und wir fördern die internationale Zusammenarbeit in der Astronomie. Die ESO wurde 1962 als zwischenstaatliche Organisation gegründet und wird heute von 16 Mitgliedstaaten (Belgien, Dänemark, Deutschland, Frankreich, Finnland, Irland, Italien, den Niederlanden, Österreich, Polen, Portugal, Schweden, der Schweiz, Spanien, der Tschechischen Republik und dem Vereinigten Königreich) sowie dem Gastland Chile und Australien als strategischem Partner unterstützt.

Der Hauptsitz der ESO und ihr Besucherzentrum und Planetarium, die ESO Supernova, befinden sich in der Nähe von München in Deutschland, während die chilenische Atacama-Wüste, ein wunderbarer Ort mit einzigartigen Bedingungen für die Himmelsbeobachtung, unsere Teleskope beherbergt. Die ESO betreibt drei Beobachtungsstandorte: La Silla, Paranal und Chajnantor. Am Standort Paranal betreibt die ESO das Very Large Telescope und das dazugehörige Very Large Telescope Interferometer sowie Durchmusterungsteleskope wie z. B. VISTA. Ebenfalls am Paranal wird die ESO das Cherenkov Telescope Array South betreiben, das größte und empfindlichste Gammastrahlen-Observatorium der Welt. Zusammen mit internationalen Partnern betreibt die ESO auf Chajnantor APEX und ALMA, zwei Einrichtungen zur Beobachtung des Himmels im Millimeter- und Submillimeterbereich. Auf dem Cerro Armazones in der Nähe von Paranal bauen wir „das größte Auge der Welt am Himmel“ – das Extremely Large Telescope der ESO. Von unseren Büros in Santiago, Chile, aus unterstützen wir unsere Aktivitäten im Land und arbeiten mit chilenischen Partnern und der Gesellschaft zusammen.

Die Übersetzungen von englischsprachigen ESO-Pressemitteilungen sind ein Service des ESO Science Outreach Network (ESON), eines internationalen Netzwerks für astronomische Öffentlichkeitsarbeit, in dem Wissenschaftler und Wissenschaftskommunikatoren aus allen ESO-Mitgliedsländern (und einigen weiteren Staaten) vertreten sind. Deutscher Knoten des Netzwerks ist das Haus der Astronomie in Heidelberg.

Fachartikel
pdf: https://www.eso.org/public/archives/releases/sciencepapers/eso2317a.pdf

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Quelle: Max-Planck-Institut für Radioastronomie 30. Mai 2022.

30. Mai 2022 – Ein internationales Team von Wissenschaftlern, darunter auch Astronomen des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie in Bonn, hat einen ungewöhnlichen Neutronenstern entdeckt, der Radiostrahlung aussendet und sich alle 76 Sekunden um die eigene Achse dreht. Das Team, das von Mitgliedern der MeerTRAP-Gruppe („More Transients and Pulsars“) an der Universität Manchester geleitet wird, spricht von einer einzigartigen Entdeckung, da sich dieser Stern auf dem sogenannten Friedhof der Neutronensterne befindet, wo man überhaupt keine Pulsaraktivität erwartet. Die Entdeckung wurde mit dem MeerKAT-Radioteleskop in Südafrika gemacht.

Die Ergebnisse werden am 30. Mai 2022 online in der Fachzeitschrift „Nature Astronomy“ veröffentlicht.

Die Quelle wurde zunächst vom ERC-finanzierten MeerTRAP-Team entdeckt, bei gemeinsamen Beobachtungen einer Himmelsregion, die von einem anderen Team, ThunderKAT, geleitet wurden. Beide Forscherteams, MeerTRAP und ThunderKAT, arbeiteten daraufhin eng zusammen, um den Ursprung der Quelle zu enträtseln. Es war ihnen möglich, die Pulsationen mit Hilfe von 8-Sekunden-Bilder des Himmels zu bestätigen und die genaue Position der Quelle zu bestimmen, woraufhin detaillierte und empfindlichere Folgebeobachtungen durchgeführt werden konnten.

Neutronensterne sind extrem dichte Überreste von einer Supernova-Explosion eines massereichen Sterns. Derzeit sind den Wissenschaftlern etwa 3000 dieser Sterne in unserer Milchstraße bekannt. Der neu entdeckte Stern ist jedoch anders als die bisher gefundenen Neutronensterne. Das Team geht davon aus, dass er zu der bisher nur theoretisch postulierten Klasse von ultralanglebigen Magnetaren mit extrem starken Magnetfeldern gehören könnte.

Dr. Manisha Caleb, vormals Universität Manchester und jetzt an der Universität von Sydney, die das Forschungsprojekt leitete, sagt: „Es ist erstaunlich, dass wir von dieser Quelle nur während 0,5 % ihrer Rotationsperiode Radioemission feststellen können. Das bedeutet, dass es ein großer Zufall ist, dass sich der Radiostrahl mit der Erde kreuzt. Es ist daher wahrscheinlich, dass es in der Galaxis noch viel mehr solcher sehr langsam rotierenden Quellen gibt. Das hat wichtige Auswirkungen auf die Entstehung und das Altern von Neutronensternen.“

„Die meisten Pulsardurchmusterungen suchen nicht nach so langen Perioden, so dass wir keine Ahnung haben, wie viele dieser Quellen es insgesamt geben könnte. In diesem Fall war die Quelle hell genug, dass wir die einzelnen Pulse mit dem MeerTRAP-Instrument am MeerKAT nachweisen konnten“, ergänzt sie.

Der neu entdeckte Neutronenstern erhielt den Namen PSR J0901-4046 und weist Merkmale von Pulsaren, von (ultralangperiodischen) Magnetaren und sogar von schnellen Radiobursts auf. Während die ausgestrahlte Radioenergie auf einen Pulsar hinweist, erinnern die Pulse mit chaotischen Subpuls-Komponenten und die Polarisation der Pulse an Magnetare.

Obwohl die Spinperiode von PSR J0901-4046 mit einem Weißen Zwerg übereinstimmen könnte, sehen die Wissenschaftler keine Unterstützung für diese Annahme bei unterschiedlichen Wellenlängen. Es ist derzeit unklar, wie lange diese Quelle bereits im Radio emittiert. Sie wurde zwar in einem gut untersuchten Teil der Milchstraße entdeckt, doch wird bei Radiodurchmusterungen normalerweise nicht nach so langen Perioden oder Impulsen gesucht, die länger als ein paar Dutzend Millisekunden dauern.

„Die Radioemission dieses Neutronensterns ist anders als alles, was wir bisher gesehen haben“, erklärt Professor Ben Stappers von der Universität Manchester, der Leiter des MeerTRAP-Projekts. „Wir können ihn etwa 300 Millisekunden lang beobachten, was viel länger ist als bei den meisten anderen Neutronensternen, die Radiostrahlung aussenden. Es scheint mindestens sieben verschiedene Pulsarten zu geben, von denen einige eine stark periodische Struktur aufweisen, die als seismische Schwingungen des Neutronensterns gedeutet werden könnten. Diese Pulse könnten uns wichtige Einblicke in die Art des Emissionsmechanismus dieser Quellen geben.“

„Die Empfindlichkeit des MeerKAT-Teleskops kombiniert mit der ausgefeilten Suche im Rahmen des MeerTRAP-Projekts und der Fähigkeit, simultane Bilder des Himmels aufzunehmen, hat diese Entdeckung möglich gemacht. Selbst dann brauchte man noch die Augen eines Adlers, um zu erkennen, dass es sich um eine echte Quelle handelte, weil sie so ungewöhnlich aussah“, sagte Dr. Ian Heywood vom ThunderKAT-Team und der Universität Oxford, der an dieser Untersuchung beteiligt war.

Die Entdeckung ähnlicher Quellen ist eine große Herausforderung für die Beobachtung, was bedeutet, dass es möglicherweise eine größere unentdeckte Population von Radioquellen gibt, die darauf wartet, entdeckt zu werden. Diese neue Entdeckung erweitert die Möglichkeit der Existenz einer neuen Klasse von Radiotransienten, den ultralangperiodischen Neutronensternen, und deutet auf einen möglichen Zusammenhang mit der Entwicklung von hochmagnetisierten Neutronensternen, ultralangperiodischen Magnetaren und schnellen Radiostrahlungsausbrüchen (FRBs) hin.

Diese Entdeckung wurde in Zusammenarbeit mit Kollegen am Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR) in Bonn gemacht. Das MPIfR hat eine hochentwickelte Rechenanlage entworfen, konstruiert und installiert, die es ermöglicht, den synthetisierten Strahl des MeerKAT-Arrays in viele hundert verschiedene Pixel zu unterteilen, die parallel analysiert werden. Dr. Ewan Barr, der diese Entwicklung leitete, erklärt: „Interferometer sind großartig, um Bilder zu machen. Mit ihnen nach Pulsaren oder schnellen Transienten zu suchen, ist nicht trivial. Unsere Hard- und Software hat MeerKAT in eine effektive Maschine zur Suche nach Pulsaren und Transienten verwandelt“. Weiwei Chen, Mitautor der Studie, stimmt dem zu: „Es ist großartig zu sehen, wie unsere Arbeit sich mit MeerTRAP ergänzt und wie unsere Kollegen es optimal nutzen.“

Prof. Michael Kramer, Direktor am MPIfR und Leiter der Forschungsabteilung „Radioastronomische Fundamentalphysik“, fasst zusammen: „Wir sind glücklich, Teil dieser sehr spannenden Entdeckung zu sein. Sie sagt uns viel über die Beziehung zwischen Pulsaren und Magnetaren, und sie war möglich, weil MeerTRAP in hervorragender Weise Synergien zwischen Bildgebung und Pulsarsuche mit dem MeerKAT-Teleskop schafft. Ich frage mich, wie viele außergewöhnliche Pulsare es noch gibt, die auf ihre Entdeckung warten!“

Zusätzliche Informationen
Das Projekt MeerTRAP wird vom Europäischen Forschungsrat (ERC) im Rahmen des Forschungs- und Innovationsprogramms Horizont 2020 der Europäischen Union (Forschungsgrant Nr. 694745) finanziert. Es arbeitet eng mit dem Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR) zusammen und nutzt die vom MPIfR und der Max-Planck-Gesellschaft finanzierte und am MeerKAT-Teleskop installierte Strahlformungs- und Verarbeitungsinfrastruktur.

Das MeerKAT-Teleskop wird vom South African Radio Astronomy Observatory (SARAO) betrieben, einer Einrichtung der National Research Foundation, einer Agentur des Department of Science and Innovation (DSI).

ThunderKAT wird gemeinsam von den Universitäten Kapstadt und Oxford geleitet.

Drei der Autoren, Ewan Barr, Weiwei Chen und Michael Kramer, sind Mitarbeiter des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie.

Originalveröffentlichung
Discovery of a radio-emitting neutron star with an ultra-long spin period of 76 s
M. Caleb et al: 2022, Nature Astronomy, 30. Mai 2022 (DOI: 10.1038/s41550-022-01688-x).
https://www.nature.com/articles/s41550-022-01688-x

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• Neutronensterne, Pulsare, Magnetare

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Quelle: Max-Planck-Institut für Radioastronomie.

23. Februar 2022 – Astronomen wurden überrascht von einer Quelle mysteriöser Radiostrahlungsausbrüche am Himmel, so genannter schneller Radiobursts, im bisher geringsten Abstand von der Erde. Präzisionsmessungen mit Radioteleskopen haben ergeben, dass die Ausbrüche in einem Kugelsternhaufen, einem System alter Sterne, entstanden sind, und zwar auf eine Weise, die niemand so erwartet hatte. Der Ursprung in der nahen Spiralgalaxie M 81 stellt die der Erde nächstgelegene Quelle von Radioblitzen dar.

Die Ergebnisse eines internationalen Teams von Wissenschaftlern, darunter Ramesh Karuppusamy und Uwe Bach vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn, werden diese Woche in zwei Veröffentlichungen in den Fachzeitschriften „Nature“ und „Nature Astronomy“ präsentiert.

Schnelle Radiostrahlungsausbrüche (Fast Radio Bursts oder FRBs) sind unvorhersehbare, extrem kurzzeitige Lichtblitze aus dem All. Seit ihrer Entdeckung im Jahr 2007 bemühen sich Astronomen, sie zu verstehen. Bislang wurden sie nur mit Radioteleskopen im Radiobereich des Spektrums gefunden.

Jeder dieser Radiostrahlungsausbrüche dauert nur rund ein Tausendstel einer Sekunde. Dennoch sendet jeder Blitz so viel Energie aus, wie die Sonne an einem ganzen Tag abstrahlt. Jeden Tag werden mehrere hundert dieser Radioblitze gezündet, und sie wurden bereits überall am Himmel beobachtet. Die meisten befinden sich in großer Entfernung von der Erde, in Galaxien, die Milliarden von Lichtjahren entfernt sind.

In zwei Artikeln, die diese Woche parallel in den Fachzeitschriften Nature und Nature Astronomy veröffentlicht werden, stellt ein internationales Team von Astronomen Beobachtungen vor, die die Wissenschaftler einen Schritt näher an die Lösung des Rätsels bringen – und gleichzeitig neue Rätsel aufwerfen. Das Team wird gemeinsam von Franz Kirsten (Chalmers-Universität, Schweden, und ASTRON, Niederlande) und Kenzie Nimmo (ASTRON und Universität Amsterdam) geleitet.

Die Wissenschaftler nahmen sich vor, hochpräzise Messungen einer Quelle von sich wiederholenden Blitzen durchzuführen, die im Januar 2020 im Sternbild Ursa Major, dem Großen Bären, entdeckt wurde.

„Wir wollten nach Hinweisen auf die Ursprünge der Ausbrüche suchen. Wenn wir viele Radioteleskope im Verbund benutzen, können wir den Ort der Quelle am Himmel mit äußerster Präzision bestimmen. Das gibt uns die Möglichkeit festzustellen, wie die lokale Umgebung eines schnellen Radiostrahlungsausbruchs aussieht“, sagt Franz Kirsten.

Nahe, aber überraschende Position
Bei der Analyse ihrer Messungen entdeckten die Astronomen, dass die wiederholten Radioblitze von einer Stelle ausgingen, die niemand so erwartet hatte.

Sie verfolgten die Ausbrüche bis in die Außenbezirke der nahe gelegenen Spiralgalaxie Messier 81 (M 81), die etwa 12 Millionen Lichtjahre entfernt ist. Damit stellt diese Entdeckung die bisher nächstgelegene Quelle für schnelle Radiostrahlungsausbrüche dar.

Es gab noch eine weitere Überraschung. Die Position stimmte genau mit einem Kugelsternhaufen überein, einer dichten Ansammlung von sehr alten Sternen.

„Es ist erstaunlich, schnelle Radiostrahlungsausbrüche in einem Kugelsternhaufen zu finden. Dies ist ein Ort im Weltraum, an dem man nur alte Sterne findet. Weiter draußen im Universum hat man solche Ausbrüche an Orten gefunden, an denen die Sterne viel jünger sind“, sagt Kenzie Nimmo.

„Die Ähnlichkeit des Ausbruchs mit der Emission einiger Pulsare in unserer Galaxie bringt uns zwar auf vertrautes Terrain, macht aber auch deutlich, dass die Vorläufer des Strahlungsausbruchs sehr unterschiedlich sein können. Dies ist sicherlich ein Anreiz für die Lokalisierung und Charakterisierung weiterer solcher Radiobursts“, fügt Ramesh Karuppusamy (Max-Planck-Institut für Radioastronomie, MPIfR), ein Mitautor der Studie, hinzu.

Viele schnelle Radiostrahlungsausbrüche wurden in der Umgebung von jungen, massereichen Sternen gefunden, die viel größer als die Sonne sind. An diesen Orten kommt es häufig zu Sternexplosionen, die stark magnetisierte Überreste hinterlassen.

Eine Reihe von Wissenschaftlern sind zu der Überzeugung gelangt, dass schnelle Radiobursts in Objekten entstehen können, die als Magnetare bekannt sind. Magnetare sind extrem dichte Überreste explodierter Sterne, die die stärksten bekannten Magnete im Universum darstellen.

„Wir erwarten, dass Magnetare strahlende und junge Objekte sind und definitiv nicht aus einer Umgebung von alten Sternen kommen. Wenn das, was wir hier sehen, also wirklich ein Magnetar ist, dann kann er nicht durch die Explosion eines jungen Sterns entstanden sein. Es muss einen anderen Weg geben“, sagt Jason Hessels (Universität Amsterdam und ASTRON), ein weiteres Mitglied des Forscherteams.

Die Wissenschaftler glauben, dass es sich bei der Quelle der Radioblitze um etwas handelt, das zwar vorhergesagt, aber bisher noch nie gesehen wurde: ein Magnetar, der sich bildete, als ein Weißer Zwerg genügend Masse angesammelt hatte, um unter seinem eigenen Gewicht zu kollabieren.

„Im Laufe des mehrere Milliarden Jahre dauernden Lebens eines engen Sternhaufens geschehen seltsame Dinge. Wir glauben, dass wir hier einen Stern mit einer ungewöhnlichen Geschichte sehen“, sagt Franz Kirsten.

Gewöhnliche Sterne wie die Sonne werden mit der Zeit alt und verwandeln sich in kleine, dichte, helle Objekte, die man Weiße Zwerge nennt. Viele Sterne im Sternhaufen leben in Doppelsternsystemen zusammen. Von den Zehntausenden von Sternen im Haufen kommen sich einige wenige so nahe, dass ein Stern Material vom anderen aufsammelt.

„Das kann zu einem Szenario führen, das mit dem Fachbegriff „akkretionsinduzierter Kollaps“ bezeichnet wird“, erklärt Kirsten.

„Wenn einer der Weißen Zwerge genug zusätzliche Masse von seinem Begleiter aufnimmt, kann er sich in einen noch dichteren Stern, einen so genannten Neutronenstern, verwandeln. Das ist ein seltenes Ereignis, aber in einem Haufen alter Sterne wäre es der einfachste Weg, um schnelle Radiostrahlungsausbrüche zu erzeugen“, sagt Teammitglied Mohit Bhardwaj von der McGill-Universität in Kanada.

Der schnellste aller Zeiten
Auf der Suche nach weiteren Hinweisen, indem sie ihr Datenvolumen vergrößerten, fanden die Astronomen eine weitere Überraschung: einige der Blitze waren sogar kürzer, als sie erwartet hatten.

„Die Radioblitze veränderten ihre Helligkeit innerhalb von nur ein paar Dutzend Nanosekunden. Das sagt uns, dass sie aus einem winzigen Volumen im Weltraum kommen müssen, kleiner als ein Fußballfeld und vielleicht nur einige Dutzend Meter groß“, sagt Kenzie Nimmo.

Ähnlich ultrakurze Signale wurden auch von einem der berühmtesten Objekte am Himmel, dem Pulsar im Krebsnebel, beobachtet. Dabei handelt es sich um einen winzigen, dichten Überrest einer Supernova-Explosion, die 1054 n. Chr. von der Erde aus im Sternbild Stier (Taurus) beobachtet wurde. Sowohl Magnetare als auch Pulsare sind verschiedene Arten von Neutronensternen und damit extrem dichte Objekte mit der Masse der Sonne in einem Volumen von der Größe einer Stadt, die starke Magnetfelder aufweisen.

„Einige der Signale, die wir gemessen haben, sind kurz und extrem stark, genau wie einige Signale des Krebs-Pulsars. Das deutet darauf hin, dass wir tatsächlich einen Magnetar sehen, allerdings an einem Ort, an dem bisher noch keine Magnetare gefunden wurden“, sagt Kenzie Nimmo.

Künftige Beobachtungen dieses und anderer Systeme werden dabei helfen, herauszufinden, ob es sich bei der Quelle tatsächlich um einen ungewöhnlichen Magnetar handelt oder um etwas anderes, wie einen Pulsar mit ungewöhnlichen Eigenschaften oder ein schwarzes Loch und einen dichten Stern in einer engen Umlaufbahn.

„Diese schnellen Radiostrahlungsausbrüche scheinen uns neue und unerwartete Einblicke in das Leben und Sterben von Sternen zu geben. Wenn das stimmt, könnten sie uns, ähnlich wie Supernovae, etwas über Sterne und ihr Leben sagen, das für das gesamten Universum gilt“, sagt Franz Kirsten.

Weitere Informationen
Um die Quelle mit der höchstmöglichen Auflösung und Empfindlichkeit zu untersuchen, verbanden die Wissenschaftler Teleskopmessungen im Rahmen des Europäischen VLBI-Netzwerks (EVN). Durch die Kombination der Daten von 12 Parabolantennen, die über die halbe Welt verteilt sind (Schweden, Lettland, Niederlande, Russland, Deutschland, Polen, Italien und China), konnten sie genau lokalisieren, wo am Himmel der Radiostrahlungsausbruch seinen Ursprung hat.

Das 100-m-Radioteleskop des MPIfR, das empfindlichste Einzelteleskop in Europa, wurde in zweifacher Hinsicht genutzt: zum einen im Rahmen des EVN-Netzwerks, zum anderen lieferte es mit dem PSRIX-Datenaufzeichnungssystem Pulsardaten mit hoher Zeitauflösung.

„Ich freue mich immer, wenn Daten aus Effelsberg zu einem so tollen Ergebnis beitragen können. Gerade bei VLBI-Beobachtungen von schwachen Signalen kann die Beteiligung unseres 100-m-Teleskops entscheidend sein“, sagt Uwe Bach vom MPIfR, Mitautor und zuständiger VLBI-Experte am Radio-Observatorium Effelsberg.

Die EVN-Messungen wurden durch Daten von mehreren anderen Radioteleskopen ergänzt, darunter das Karl G. Jansky Very Large Array (VLA) in New Mexico, USA.

Publikationen
A repeating fast radio burst source in a globular cluster
F. Kirsten et al., Nature, 2022.
DOI: 10.1038/s41586-021-04354-w
Burst timescales and luminosities link young pulsars and fast radio bursts
K. Nimmo et al., Nature Astronomy, 2022.
DOI: 10.1038/s41550-021-01569-9

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