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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Quelle: ESON 17. August 2023.

17. August 2023 – Die Entdeckung markiert die Entdeckung eines neuen Typs von astronomischen Objekten – massereiche magnetische Heliumsterne – und gibt Aufschluss über den Ursprung von Magnetaren.

Obwohl der Stern HD 45166 seit über 100 Jahren beobachtet wird, konnte sein rätselhaftes Wesen nicht ohne Weiteres durch herkömmliche Modelle erklärt werden. Man wusste nur wenig über ihn, abgesehen von der Tatsache, dass er zu einem Sternpaar gehört [1], reich an Helium ist und einige Male massereicher als unsere Sonne ist.

„Dieser Stern wurde zu einer Art Leidenschaft von mir“, sagt Tomer Shenar, der Hauptautor einer heute in Science veröffentlichten Studie über dieses Objekt und Astronom an der Universität Amsterdam in den Niederlanden. „Tomer und ich bezeichnen HD 45166 als den »Zombie-Stern«“, sagt die Mitautorin und ESO-Astronomin Julia Bodensteiner aus Deutschland. „Das liegt nicht nur daran, dass dieser Stern so einzigartig ist, sondern auch, weil ich scherzhaft gesagt habe, dass er Tomer in einen Zombie verwandelt.“

Nachdem Shenar bereits ähnliche heliumreiche Sterne untersucht hatte, vermutete er, dass Magnetfelder den entscheidenden Hinweis geben könnten. Tatsächlich sind Magnetfelder dafür bekannt, das Verhalten von Sternen zu beeinflussen. Sie könnten erklären, warum herkömmliche Modelle HD 45166 nicht beschreiben konnten, der sich etwa 3000 Lichtjahre entfernt im Sternbild Einhorn (Monoceros) befindet. „Ich erinnere mich, dass ich beim Lesen der Fachliteratur einen Heureka-Moment hatte: »Was, wenn der Stern magnetisch ist?«“, sagt Shenar, der derzeit am Zentrum für Astrobiologie in Madrid, Spanien, arbeitet.

Shenar und sein Team machten sich daran, den Stern mit mehreren Teleskopen rund um den Erdball zu untersuchen. Die entscheidenden Beobachtungen wurden im Februar 2022 mit einem Instrument am Canada-France-Hawaii Telescope durchgeführt, das Magnetfelder erkennen und messen kann. Das Team stützte sich auch auf wichtige Archivdaten, die mit dem Fiber-fed Extended Range Optical Spectrograph (FEROS) am La Silla-Observatorium der ESO in Chile aufgenommen wurden.

Als die Daten vorlagen, bat Shenar seinen Mitautor Gregg Wade, einen Experten für Magnetfelder in Sternen am Royal Military College of Canada, die Daten zu prüfen. Die Antwort von Wade bestätigte Shenars Vermutung: „Was auch immer dieses Objekt ist – es ist definitiv magnetisch.“

Wie Shenars Team herausfand, hat der Stern ein unglaublich starkes Magnetfeld von 43.000 Gauß, was HD 45166 zum magnetischsten massereichen Stern macht, der bisher gefunden wurde [2]. „Die gesamte Oberfläche des Heliumsterns ist so magnetisch wie die stärksten vom Menschen hergestellten Magneten“, erklärt Co-Autor Pablo Marchant, Astronom am Institut für Astronomie der KU Leuven in Belgien.

Diese Beobachtung markiert die Entdeckung des allerersten massereichen magnetischen Heliumsterns. „Es ist aufregend, eine neue Gattung von astronomischen Objekten zu entdecken“, sagt Shenar, „insbesondere dann, wenn sie sich die ganze Zeit über versteckt hielt.“

Darüber hinaus liefert die Entdeckung Hinweise auf den Ursprung von Magnetaren, kompakten toten Sternen, die von Magnetfeldern durchzogen sind, die mindestens eine Milliarde Mal stärker sind als das in HD 45166. Die Berechnungen des Teams legen nahe, dass dieser Stern sein Leben als Magnetar beenden wird. Während er unter seiner eigenen Schwerkraft kollabiert, wird sich sein Magnetfeld verstärken. Der Stern wird schließlich zu einem sehr kompakten Kern mit einem Magnetfeld von etwa 100 Billionen Gauß [3] werden – die stärkste Sorte von Magneten im Universum.

Shenar und sein Team stellten außerdem fest, dass HD 45166 eine geringere Masse hat als bisher angenommen, etwa das Doppelte der Masse der Sonne, und dass sein Begleiter in einem weitaus größeren Abstand kreist als bisher angenommen. Darüber hinaus deuten ihre Untersuchungen darauf hin, dass HD 45166 durch die Verschmelzung zweier kleinerer heliumreicher Sterne entstanden ist. „Unsere Ergebnisse verändern unser Verständnis von HD 45166 völlig“, fasst Bodensteiner zusammen.

Endnoten
[1] Obwohl es sich bei HD 45166 um ein Doppelsternsystem handelt, bezieht sich HD 45166 in diesem Text auf den heliumreichen Stern, nicht auf beide Sterne.

Weitere Informationen
Diese Forschungsergebnisse wurden in einem Artikel vorgestellt, der in der Zeitschrift Science erscheint (doi: 10.1126/science.ade3293).

Das Team besteht aus Tomer Shenar (Anton Pannekoek Institut für Astronomie, Universität Amsterdam, Niederlande [API], jetzt am Zentrum für Astrobiologie, Madrid, Spanien), Gregg Wade (Department of Physics and Space Science, Royal Military College of Canada, Kanada), Pablo Marchant (Institut für Astronomie, KU Leuven, Belgien [KU Leuven]), Stefano Bagnulo (Armagh Observatory & Planetarium, Großbritannien), Julia Bodensteiner (Europäische Südsternwarte, Garching, Deutschland; KU Leuven), Dominic M. Bowman (KU Leuven), Avishai Gilkis (The School of Physics and Astronomy, Tel Aviv University, Israel), Norbert Langer (Argelander-Institut für Astronomie, Universitӓt Bonn, Deutschland; Max-Planck-Institut für Radioastronomie, Bonn, Deutschland), André Nicolas-Chené (National Science Foundation’s National Optical-Infrared Astronomy Research Laboratory, Hawai’i), Lidia Oskinova (Institut für Physik und Astronomie, Universitӓt Potsdam, Deutschland [Potsdam]), Timothy Van Reeth (KU Leuven), Hugues Sana (KU Leuven), Nicole St-Louis (Département de physique, Université de Montréal, Complexe des sciences, Kanada), Alexandre Soares de Oliveira (Institut für Forschung und Entwicklung, Universidade do Vale do Paraíba, São José dos Campos, Brasilien), Helge Todt (Potsdam) und Silvia Toonen (API).

Über die ESO
Die Europäische Südsternwarte (ESO) befähigt Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler 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/eso2313/eso2313a.pdf

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Quelle: Max-Planck-Institut für Radioastronomie 19. Juli 2023.

19. Juli 2023 – Es könnte sich um einen ultralangperiodischen Magnetar handeln, eine seltene Art von Stern mit extrem starken Magnetfeldern, die gewaltige Energieausbrüche erzeugen können. Alle bis vor kurzem bekannten Magnetare setzen Energie in Intervallen von einigen Sekunden bis einigen Minuten frei. Das neu entdeckte Objekt sendet alle 22 Minuten Radiowellen aus und wäre damit der Magnetar mit der längsten Periode, der je entdeckt wurde.

Eine internationale Forschergruppe unter der Leitung von Dr. Natasha Hurley-Walker von der Curtin-Universität und dem „International Centre for Radio Astronomy Research“ (ICRAR) in Australien entdeckte mit dem „Murchison Widefield Array“ (MWA) in Westaustralien eine neue Art von Stern. Das Objekt, wahrscheinlich ein Magnetar, ein rotierender Neutronenstern mit extrem starken Magnetfeldern, die mehr als eine Milliarde Mal stärker sind als das stärkste auf der Erde erzeugte Magnetfeld, wurde als GPM J1839-10 bezeichnet. Er befindet sich in einer Entfernung von 15.000 Lichtjahren von der Erde in Richtung des Sternbilds Scutum (Schild). Es ist erst der zweite jemals entdeckte Magnetar mit extrem langer Ratationsperiode, der als rätselhaftes, vorübergehendes Objekt beschrieben wird, das in regelmäßigen Abständen auftaucht und wieder verschwindet und dreimal pro Stunde starke Energiestrahlen aussendet.

„Dieses bemerkenswerte Objekt stellt unser Verständnis von Neutronensternen und Magnetaren in Frage, die zu den exotischsten und extremsten Objekten im Universum gehören“, sagt Natasha Hurley-Walker, „Das erste dieser rätselhaften transienten Objekte hat uns überrascht. Wir waren verblüfft und begannen, nach ähnlichen Objekten zu suchen, um herauszufinden, ob es sich um ein isoliertes Ereignis oder lediglich um die Spitze des Eisbergs handelt.“

Beim Abscannen des Himmels mit dem MWA-Teleskop entdeckte das Team bald eine weitere Quelle, GPM J1839-10, die Energiestöße aussendet, die bis zu fünf Minuten dauern, fünfmal länger als beim ersten dieser Objekte. Folgebeobachtungen mit anderen Teleskopen bestätigten die Entdeckung und lieferten Details über die einzigartigen Eigenschaften des Magnetars.

„GPM J1839-10 ist eine ziemlich faszinierende Quelle, die sich scheinbar zu langsam dreht, um ein typischer Radiopulsar zu sein, aber auch zu stabil strahlt, um ein Radiomagnetar zu sein. Um die wahre Natur dieser Quelle zu verstehen, haben wir das Signal alle paar Millisekunden mit den von unserem Team entwickelten hochauflösenden Instrumenten zur Suche nach Pulsaren und schnellen Transienten abgetastet“, fügt Ewan Barr vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR) hinzu, ein Mitautor der Veröffentlichung. „Die Beobachtungen zeigten eine feine Puls-Substruktur, die quasi-periodische Schwingungen aufweist. Ob diese eine intrinsische Eigenschaft der Quelle oder ihrer Umgebung sind, muss noch geklärt werden.“

Das Team hat auch damit begonnen, die Beobachtungsarchive der wichtigsten Radioteleskope der Welt nach weiteren Informationen zu dieser Quelle zu durchsuchen.
„Der Magnetar tauchte in Beobachtungen des „Giant Metre wave Radio Telescope“ in Indien auf, und das „Very Large Array“ in den USA hatte Beobachtungen, die bis ins Jahr 1988 zurückreichen“, erklärt Natasha Hurley-Walker. „Das war ein ganz unglaublicher Moment für mich. Ich war fünf Jahre alt, als unsere Teleskope zum ersten Mal Pulse von diesem Objekt aufzeichneten, aber niemand bemerkte es, und es blieb 33 Jahre lang in den Daten verborgen.“

Nicht alle Magnetare erzeugen Radiowellen. Einige liegen unterhalb der so genannten „Todeslinie“, einer kritischen Schwelle, an der das Magnetfeld eines Sterns zu schwach wird, um Radiowellen zu erzeugen. Da GPM J1839-10 weit unterhalb der Todeslinie liegt, sollte er sich zu langsam drehen, um Radiopulse zu erzeugen.

Alle 22 Minuten sendet die Quelle einen fünfminütigen Radiowellenpuls aus, und das seit mindestens 33 Jahren. Welcher Mechanismus auch immer dahinterstecken mag, er muss außergewöhnlich sein. Die Entdeckung hat wichtige Auswirkungen auf das Verständnis der Physik von Neutronensternen und des Verhaltens von Magnetfeldern in extremen Umgebungen. Sie wirft auch neue Fragen über die Entstehung und Entwicklung von Magnetaren auf und könnte Licht in den Ursprung rätselhafter Phänomene wie schneller Radiobursts bringen.

Das Forscherteam plant weitere Beobachtungen des Magnetars, um mehr über seine Eigenschaften und sein Verhalten zu erfahren. Sie hoffen, in Zukunft noch weitere Magnetare mit extrem langer Periode zu entdecken, die dazu beitragen könnten, das Verständnis dieser faszinierenden und rätselhaften Objekte zu verfeinern.

Weitere Informationen:
Das Murchison Wide-field Array (MWA), mit dem die Quelle GPM J1839-10 entdeckt wurde, ist ein Vorläufer des weltweit größten Radioastronomie-Observatoriums, des SKA-Observatoriums (SKAO), das derzeit in Australien und Südafrika aufgebaut wird.

Zusätzliche Beobachtungen erfolgten mit drei australischen Radioteleskopen (Parkes, ASKAP, ATCA), mit MeerKAT in Südafrika, dem Vorläufer des SKAO für den mittleren Frequenzbereich, und mit dem Weltraum-Röntgenteleskop XMM-Newton.

Die Autoren der Veröffentlichung sind N. Hurley-Walker, N. Rea, S. J. McSweeney, B. W. Meyers, E. Lenc, I. Heywood, S. D. Hyman, Y. P. Men, T. E. Clarke, F. Coti Zelati, D. C. Price, C. Horvath, T. J. Galvin, G. E. Anderson, A. Bahramian, E. D. Barr, N. D. R. Bhat, M. Caleb, M. Dall’Ora, D. de Martino, S. Giacintucci, J. S. Morgan, K.M. Rajwade, B. Stappers und A. Williams. Yunpeng Men und Ewan Barr sind Mitarbeiter des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie.

Originalpublikation:
N. Hurley-Walker et al.: A long-period radio transient active for three decades, Nature, 19. Juli 2023
https://www.nature.com/articles/s41586-023-06202-5

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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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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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• Radioastronomie

Der Beitrag Kosmische Radioblitze an einem überraschenden Ort im Weltraum erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: Max-Planck-Institut für Astrophysik.

28. Januar 2022 – Im Juli 2020, kurz nach dem Start seiner zweiten Himmelsdurchmusterung, entdeckte das eROSITA-Röntgenteleskop an Bord des Weltraumobservatoriums SRG eine neue Quelle an einer Position, an der bisher keine Röntgenstrahlen nachgewiesen wurden. Als die Astrophysiker daraufhin die Datenbank der optischen Veränderlichen überprüften, stellte sich heraus, dass etwa vierzig Tage zuvor die „Zwicky Transient Facility“ (ZTF) und das „Asteroid Terrestrial-impact Last Alert System“ (ATLAS) an derselben Stelle eine scheinbar gewöhnliche, optische Veränderliche mit der Bezeichnung AT2020mrf registriert hatten. Diese wurde zunächst als Supernova vom Typ II eingestuft, also als massereicher Stern, der am Ende seines Lebens kollabiert. Diese ursprüngliche Klassifizierung änderte sich jedoch grundlegend durch die eROSITA-Entdeckung der Röntgenemission und die Form der optischen Lichtkurve der Quelle. Es wurde klar, dass die Astrophysiker auf ein noch interessanteres Objekt gestoßen waren.

Es gibt eine Klasse optischer Veränderlicher, die mit Supernova-Explosionen in Verbindung gebracht werden und die sich durch schnelle Lichtkurven und zu viel Blau in ihren Spektren auszeichnen, die so genannten „Fast Blue Optical Transients“ (FBOTs). Da ihre Helligkeit schnell abfällt, kann man sie nur schwer untersuchen. Allerdings gibt es darunter eine geheimnisvolle und seltene Unterklasse, die sogenannten AT2018cow-ähnlichen Objekte. Die Namen der von der ATLAS-Anlage entdeckten optischen Transienten (daher die Buchstaben „AT“ im Namen) werden nach dem Jahr der Entdeckung (in diesem Fall 2018) benannt, gefolgt von einer Kombination aus mehreren Buchstaben, die von einem Computer generiert werden. In diesem Fall bildeten die Buchstaben zufällig das englische Wort „cow“ – daher nennen die Astronomen diese Klasse nun „Kuh“-ähnliche Objekte. Vor der Entdeckung von SRGe J154754.2+443907 waren nur vier solcher Objekte bekannt; die SRG/eROSITA-Quelle war Nummer fünf.

„Kühe“ zeichnen sich durch eine rekordverdächtige Leuchtkraft aus (bis zu10⁴³ erg/s in der Spitze), die etwa 1000-mal heller ist als eine gewöhnliche Supernova vom Typ II. Eine solche Leuchtkraft kann nicht durch den Zerfall von radioaktivem Nickel-56 erklärt werden und erfordert eine alternative Energiequelle.

SRGe J154754.2+443907 wurde vom eROSITA-Team bei der Suche nach Ereignissen entdeckt, bei denen ein Stern durch die Gezeitenkräfte eines supermassereichen Schwarzen Lochs zerstört wird. Bald wurde jedoch klar, dass die Forscher es mit etwas Anderem zu tun hatten. Sie lösten daraufhin eine Beobachtungskampagne mit Teleskopen vom Radio- bis zum Röntgenbereich aus, um die neue Quelle bei weiteren Wellenlängen zu untersuchen. Dies bestätigte, dass SRGe J154754.2+443907 das fünfte „Kuh“-artige Objekt ist. An den Multiwellenlängenbeobachtungen waren das 10-Meter-Keck-Teleskop, die Radioteleskope VLA und GMRT sowie die Röntgen-Weltraumobservatorien Chandra, XMM-Newton und Swift beteiligt. Das Programm wurde von einem Doktoranden des Caltech, Yuhan Yao, koordiniert.

Das eROSITA-Teleskop beobachtete dieses Objekt kurz nach dem Höhepunkt der Lichtkurve. Diese Beobachtungen haben gezeigt, dass AT2020mrf/SRGe J154754.2+443907 die hellste bekannte „Kuh“ ist, mit einer Leuchtkraft von über ~2 x 10⁴³ erg/s. Eine solche Leuchtkraft könnte von einem jungen, schnell rotierenden Neutronenstern (mit einer Periode von etwa 10 Millisekunden) mit einem Magnetfeld in der Größenordnung von 10¹⁴ Gauß stammen – einem so genannten Magnetar – oder auch von einem neu entstandenen Schwarzen Loch erzeugt werden, das Material des Vorgängersterns im superkritischen Bereich akkretiert. In jedem Fall haben die Wissenschaftler die Geburt eines relativistischen, kompakten Objekts durch die Explosion eines massereichen Sterns beobachtet.

Die neue „Kuh“ ist bereits verblasst, während viele Fragen noch unbeantwortet bleiben. Um die Natur dieser Quellen zu klären und die physikalischen Mechanismen zu verstehen, die ihr Verhalten bestimmen, müssen die Wissenschaftler weitere Objekte dieser Klasse finden und im Detail untersuchen. Die laufende SRG/eROSITA-Durchmusterung des gesamten Himmels wird einen wichtigen Beitrag zu dieser Arbeit leisten.

Originalveröffentlichung
Yuhan Yao, Anna Y. Q. Ho, Pavel Medvedev, Nayana A. J., Daniel A. Perley, S. R. Kulkarni, Poonam Chandra, Sergey Sazonov, Marat Gilfanov, Georgii Khorunzhev, David K. Khatami, Rashid Sunyaev
The X-ray and Radio Loud Fast Blue Optical Transient AT2020mrf: Implications for an Emerging Class of Engine-Driven Massive Star Explosions
submitted to ApJ
https://arxiv.org/abs/2112.00751
pdf: https://arxiv.org/pdf/2112.00751

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• Röntgenteleskope ART-XC und eRosita auf Spektr-RG (SRG)

Der Beitrag Leuchtende „Kuh“: SRG/eROSITA entdeckt die Röntgenemission erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: Max-Planck-Institut für Astrophysik.

Die Ergebnisse der in Science Advances veröffentlichten Studie beruhen auf einem neuartigen, besseren Computermodell. Sie öffnen neue Perspektiven, um die stärksten und leuchtkräftigsten Sternexplosionen zu verstehen.

Was sind Magnetare?

Neutronensterne sind extrem kompakte und extrem dichte Sternleichen, die zwischen einer und zwei Sonnenmassen in einem Radius von etwa 12 Kilometern vereinen. Magnetare bilden eine spezielle Klasse dieser Sterne, die sich durch starke Ausbrüche von Röntgen- und Gammastrahlen auszeichnen. Die Energie für diese Strahlungsausbrüche stammt wahrscheinlich von ultrastarken Magnetfeldern. Aufgrund einer starken magnetischen Abbremsung sollten Magnetare ihre Rotation deutlich schneller verlangsamen als andere Neutronensterne; Messungen der Veränderung ihrer Rotationsperiode bestätigen dieses Szenario. Man kann deshalb schlussfolgern, dass Magnetare ein Dipol-Magnetfeld in der Größenordnung von 10¹⁵ Gauss (G) haben, d.h. bis zu 1.000 Mal stärker als typische Neutronensterne! Doch auch wenn die Existenz dieser enormen Magnetfelder inzwischen gut bekannt ist, bleibt ihr Ursprung umstritten.

Wie entstehen sie?

Neutronensterne bilden sich normalerweise, wenn der Eisenkern eines massereichen Sterns mit mehr als neun Sonnenmassen kollabiert – die äußeren Schichten des Sterns werden dabei in einer gigantischen Explosion, einer so genannten Kernkollaps-Supernova, in den interstellaren Raum ausgestoßen. Einige Theorien gehen daher davon aus, dass Neutronensterne und Magnetare ihre Magnetfelder von ihren Vorgängersternen vererbt bekommen und somit die Felder vollständig durch die Magnetisierung des Eisenkerns vor dem Kollaps bestimmt sein könnten. Das Problem bei dieser Hypothese ist jedoch, dass starke Magnetfelder in den Sternen die Rotation des Sternkerns stark verlangsamen können und die daraus entstandenen Neutronensterne dann nur langsam rotieren würden.

„Wir könnten damit die enormen Energien von Hypernova-Explosionen und von langen Gammastrahlenblitzen nicht erklären, bei denen schnell rotierende Neutronensterne oder schnell rotierende Schwarze Löcher als zentrale Quellen der riesigen Energiemengen gelten“, erklärt Teammitglied H.-Thomas Janka vom Max-Planck-Institut für Astrophysik. Ein alternativer Mechanismus, bei dem die extremen Magnetfelder während der Entstehung des Neutronensterns selbst erzeugt werden können, erscheint daher wahrscheinlicher.

In den ersten Sekunden nach dem Kernkollaps des Sterns kühlt der neugeborene, heiße Neutronenstern ab, indem er Neutrinos emittiert. Diese Kühlung löst im Innern starke konvektive Massenströme aus, ähnlich dem Sprudeln von kochendem Wasser. Solche heftigen Bewegungen der Materie könnten ein bereits bestehendes, schwaches Magnetfeld verstärken. Dieser Feld-verstärkende Effekt ist beispielsweise aus dem flüssigen Eisenkern der Erde oder der konvektiven Hülle der Sonne bekannt und wird als „Dynamo“-Effekt bezeichnet.

Um diese Möglichkeit für Neutronensterne zu testen, simulierte das Forscherteam die Konvektion in einem neugeborenen, sehr heißen und schnell rotierenden Neutronenstern mit der Hilfe von Supercomputern. Tatsächlich fanden die Wissenschaftler durch ihren neuen Modellierungsansatz, der detaillierter und genauer ist als alle früheren, dass anfangs schwache Magnetfelder bis zu Werten von 10¹⁶ Gauss verstärkt werden können, wenn die Rotation des Neutronensterns ausreichend schnell ist.

„Unsere Modelle zeigen, dass Rotationsperioden unter etwa 8 Millisekunden entscheidend für die Erzeugung solch enormer Feldstärken sind”, bestätigt Raphaël Raynaud vom CEA in Saclay, der Hauptautor der Publikation. „Wir sehen dann eine zweite Phase der Feldverstärkung, die nicht auftritt, wenn sich die Neutronensterne langsamer drehen.“

Die größten kosmischen Bomben? 

Zusätzlich zu den neuen Einsichten in die Entstehung von Magnetaren in unserer Galaxie, öffnen diese Ergebnisse auch neue Wege, um die stärksten und leuchtkräftigsten Explosionen massereicher Sterne im Universum besser zu verstehen. So strahlen beispielsweise so genannte “superhelle Supernovae” hundertmal mehr Licht aus als gewöhnliche Supernovae, und die als Hypernovae bezeichneten Sternexplosionen besitzen eine zehnfach höhere kinetische Energie und gehen manchmal auch mit einem Gammastrahlenblitz von mehreren zehn Sekunden Dauer einher. Für diese außergewöhnlichen Explosionen muss man sich Prozesse vorstellen, die weit extremer als die normalen Vorgänge sind und einer “zentralen Maschine” enorme Energiemengen entziehen müssen.

Das „Millisekunden-Magnetar“-Szenario ist derzeit eines der vielversprechendsten Modelle für die zentrale Maschine solcher Extremereignisse. Dabei liefert die Rotationsenergie des schnell rotierenden Neutronensterns das zusätzliche Energiereservoir, das die Leistung der Explosion erhöht. Durch das gigantisch starke magnetische Dipolfeld kann die Rotationsenergie des Neutronensterns sehr effizient auf die Explosion übertragen werden. „Damit dieser Mechanismus so funktioniert, muss die Feldstärke in der Größenordnung von 10¹⁵ Gauss liegen“, erklärt Koautor Jerome Guilet vom CEA in Saclay. „Dies entspricht den Werten, die von konvektiven Dynamos für Rotationsperioden im Millisekundenbereich erreicht werden“.

Die größte Schwäche des Millisekunden-Magnetar-Szenarios war bisher die Ad-hoc-Annahme eines extrem starken Magnetfeldes, unabhängig von der schnellen Rotation des Neutronensterns. Die jetzt erzielten Ergebnisse liefern somit theoretischen Rückenwind für das Szenario einer zentralen Maschine als Antrieb der stärksten Sternexplosionen, die im Universum beobachtet werden.

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• Neutronensterne, Pulsare, Magnetare

Der Beitrag Eine neue Theorie für die Entstehung von Magnetaren erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Erstellt von Thomas Weyrauch. Quelle: American Association for the Advancement of Science (AAAS), The Kavli Institute for Astronomy and Astrophysics at Peking University (KIAA-PKU), The Ohia State University (OSU)

Das Teleskopsystem mit der Bezeichnung All Sky Automated Survey for SuperNovae (ASAS-SN), bestehend aus einem Verbund aus acht Teleskopen mit einem Durchmesser von jeweils 14 Zentimetern an Standorten in Chile und Hawaii ist gemäß seiner Bezeichnung in der Lage, am Nachthimmel vollautomatisch nach Supernovae zu suchen und ihn alle zwei bis drei Tage vollständig abzutasten.

Sterne sind gewissermaßen atomare Öfen, in ihren Kernen wird aus Wasserstoff kontinuierlich Helium fusioniert. Bei einem Stern, der eine größere Masse als das etwa Achtfache unserer Sonne hat, führt das Ausgehen von Wasserstoff als Brennmaterial für das nukleare Fusionsfeuer unweigerlich zum Zusammenbruch. Bei einem solchen Kollaps entstehen Temperaturen, die hoch genug sind, dass durch Kernfusion auch schwere Elemente gebildet werden können.

Auf den Zusammenbruch folgt eine Gegenbewegung, die letztlich in einer spektakulären Explosion, einer Supernova, endet. Supernovae können dank der bei den enormen, bei der Explosion freiwerden Energiemengen so hell leuchten wie ganze Galaxien, im Unterschied zu letzteren aber nur für eine geringe Zeitspanne.

Die aktuell bekannt gemachte Entdeckung erfolgte im Juni 2015. Die in rund 3,8 Milliarden Lichtjahren Entfernung beobachtete Supernova wird jetzt als ASAS-SN-15lh bezeichnet. Das Maximum ihrer Leuchtkraft überstieg die durchschnittliche Leuchtkraft unserer Milchstraße um das fünfzig-fache. (Auf Grund der riesigen Entfernung ist die Supernova trotz allem nicht mit dem nackten Auge zu beobachten).

Die Leuchtkraft unserer Sonne wurde bei dem Ereignis um das rund 570-Milliarden-fache übertroffen. Die Leuchtkraft unserer gesamten Galaxie, der Milchstraße, mit ihren über 100 Milliarden Sternen wurde um das etwa zwanzigfache übertroffen.

Nur kurze Zeit nach der Entdeckung der Supernova war eine Anzahl weiterer am Erdboden und im Weltraum stationierter Teleskope auf die entsprechende Himmelsregion ausgerichtet.

Eine konzertierte Beobachtungskampagne förderte zum Beispiel zu Tage, dass die Energie, die von der Supernova in den ersten vier Monaten seit ihrer Entdeckung abgestrahlt wurde, einem Wert entspricht, für dessen Erreichung unsere Sonne in ihrem derzeitige Zustand rund 90 Milliarden Jahre lang leuchten müsste.

Spektren der Explosion, die eine Arbeitsgruppe der Carnegie Observatories aus den Vereinigten Staaten von Amerika mit dem 2,5-Meter-Irénée du Pont-Teleskop in Chile aufgezeichnet hat, lieferten Informationen zu den chemischen Elementen, die die Supernova ins All geschleudert hat. Zum Erstaunen der beteiligten Astronomen ähneln die Daten keinen anderen zu den rund 200 Supernovae, die die Arbeitsgruppe bis dato entdeckt hat.

Am Kavli Institute for Astronomy and Astrophysics (KIAA) der Universität Peking ging man der Sache auf den Grund. Nicht jede gebuchte Beobachtungszeit bei verschiedenen angefragten Observatorien konnte wetterbedingt und wegen technischer Schwierigkeiten genutzt werden, doch schließlich standen weitere Spektren zur Verfügung, die sich auswerten ließen.

Bei der Begutachtung der Daten ergab sich eine gewisse Nähe zu der vorher stärksten jemals beobachteten Supernova namens iPTF13ajg. Die neue Supernova scheint hinsichtlich einiger Kriterien zu einer Klasse zu gehören, die „hydrogen-poor SLSN“ für wasserstoffarme extrem leuchtstarke Supernovae genannt wird.

Die Beobachtungsdaten zu ASAS-SN-15lh beschäftigen Theoretiker derzeit besonders, weil sie ein verwirrendes Bild zeichnen.

Bei einer „hydrogen-poor SLSN“ entsteht nach dem Aufbrauchen des Fusionsbrennstoffs in einem alten Stern, dem Zusammenbruch und der folgenden Explosion ein schnell rotierender Neutronenstern mit extrem starken Magnetfeldern – ein sogenannter Magnetar.

Der Theorie zufolge ist es dann die starke magnetische Energie, die ausgehend vom Magnetar die sich im All weiter ausbreitende Explosion mit zusätzlicher Energie versorgt und für ihre ungewöhnliche Helligkeit verantwortlich ist.

Die bei ASAS-SN-15lh beobachteten Energien sind aber derartig groß, dass das Szenario mit einem Magnetar als Energielieferant in Frage steht. Ein passender Magnetar müsste sich mindestens 1.000 Mal pro Sekunde um die eigne Achse drehen und die Rotationsenergie mit einem Wirkungsgrad zu annähernd 100 Prozent umsetzen. Ein solcher Millisekunden-Magnetar wäre ein Extremfall innerhalb dessen, was Wissenschaftler derzeit als physikalisch möglich betrachten.

Ursache für das erreichte Energieniveau könnte auch der Tod eines extrem großen schweren Sterns sein, eines Objekts, das in den erforderlichen Ausmaßen bisher nicht für möglich gehalten wurde.

Man hatte gemäß der Theorie zu „hydrogen-poor SLSN“ außerdem erwartet, dass entsprechende Supernovae in nur schwach leuchtenden Zwerggalaxien mit vielen jungen Sternen auftreten würden. ASAS-SN-15lh zeigte sich aber vermutlich in einer großen, hellen Galaxie.
Bisher beobachte „hydrogen-poor SLSN“ geschahen sämtlich in schwach leuchtenden Zwerggalaxien. Sie erreichten weder die extreme Leuchtkraft noch die besonders hohe Temperatur von ASAS-SN-15lh.

Weitere Beobachtungen werden helfen, die Frage zu klären, ob die Supernova tatsächlich im unterstellten Gebiet auftrat, oder doch in einer Zwerggalaxie, deren Existenz bisher auf Grund einer großen Nähe zur hellen, großen Nachbargalaxie nicht auf dem Beobachtungsweg nachgewiesen werden konnte. Dabei soll unter anderem das Weltraumteleskop Hubble zum Einsatz kommen.

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• Supernovae

Der Beitrag ASAS-SN-15lh: Hellste bisher beobachtete Supernova erschien zuerst auf Raumfahrer.net.