Quelle: NASA, 9. Oktober 2024.

Cambridge, Mass., 9. Oktober 2024 – Diese künstlerische Darstellung zeigt eine Scheibe aus Material (rot, orange und gelb), die entstand, nachdem ein supermassereiches Schwarzes Loch (rechts abgebildet) einen Stern durch starke Gezeitenkräfte zerrissen hatte. Im Laufe einiger Jahre dehnte sich diese Scheibe nach außen aus, bis sie auf ein anderes Objekt traf – entweder einen Stern oder ein kleines schwarzes Loch -, das sich ebenfalls auf einer Umlaufbahn um das riesige schwarze Loch befindet. Jedes Mal, wenn dieses Objekt mit der Scheibe zusammenstößt, sendet es einen Ausbruch von Röntgenstrahlung aus, der von Chandra entdeckt wird. Die Einblendung zeigt Chandra-Daten (lila) und ein optisches Bild der Quelle von Pan-STARRS (rot, grün und blau).

2019 bemerkte ein optisches Teleskop in Kalifornien einen Lichtausbruch, den Astronomen später als „tidal disruption event“ (TDE) einordneten. Dabei handelt es sich um Fälle, in denen Schwarze Löcher durch ihre starken Gezeitenkräfte Sterne zerreißen, wenn sie ihnen zu nahe kommen. Die Astronomen gaben diesem TDE den Namen AT2019qiz.

In der Zwischenzeit verfolgten die Wissenschaftler auch eine andere Art von kosmischen Phänomenen, die gelegentlich im Universum beobachtet werden. Dabei handelt es sich um kurze und regelmäßige Ausbrüche von Röntgenstrahlung in der Nähe supermassereicher schwarzer Löcher. Die Astronomen nannten diese Ereignisse „quasi-periodische Eruptionen“ oder QPEs.

Diese neueste Studie liefert den Wissenschaftlern Hinweise darauf, dass TDEs und QPEs wahrscheinlich zusammenhängen. Die Forscher gehen davon aus, dass QPEs entstehen, wenn ein Objekt in die Scheibe stürzt, die nach der TDE zurückbleibt. Obwohl es auch andere Erklärungen geben könnte, vermuten die Autoren der Studie, dass dies die Quelle zumindest einiger QPEs ist.

Im Jahr 2023 untersuchten Astronomen mit Chandra und Hubble gleichzeitig die Trümmer, die nach dem Ende der Gezeitenstörung zurückblieben. Die Chandra-Daten wurden bei drei verschiedenen Beobachtungen im Abstand von jeweils etwa 4 bis 5 Stunden gewonnen. Die insgesamt etwa 14-stündige Chandra-Belichtung ergab nur ein schwaches Signal im ersten und letzten Teilstück, aber ein sehr starkes Signal in der mittleren Beobachtung.

Daraufhin nutzten die Forscher den Neutron Star Interior Composition Explorer (NICER) der NASA, um AT2019qiz regelmäßig auf wiederholte Röntgenausbrüche zu untersuchen. Die NICER-Daten zeigten, dass AT2019qiz etwa alle 48 Stunden ausbricht. Beobachtungen des Neil-Grels-Swift-Observatoriums der NASA und des indischen AstroSat-Teleskops untermauerten dieses Ergebnis.

Die ultravioletten Daten von Hubble, die zur gleichen Zeit wie die Chandra-Beobachtungen gewonnen wurden, ermöglichten es den Wissenschaftlern, die Größe der Scheibe um das supermassereiche Schwarze Loch zu bestimmen. Sie stellten fest, dass die Scheibe so groß geworden ist, dass jedes Objekt, das das Schwarze Loch umkreist und etwa eine Woche oder weniger für einen Umlauf benötigt, mit der Scheibe kollidieren und Eruptionen verursachen würde.

Dieses Ergebnis hat Auswirkungen auf die Suche nach weiteren quasi-periodischen Eruptionen im Zusammenhang mit Gezeitenstörungen. Die Entdeckung weiterer solcher Ausbrüche würde es den Astronomen ermöglichen, die Häufigkeit und die Entfernungen von Objekten in engen Umlaufbahnen um supermassereiche schwarze Löcher zu messen. Einige dieser Objekte könnten hervorragende Ziele für die geplanten zukünftigen Gravitationswellenobservatorien sein.

Die Arbeit, die diese Ergebnisse beschreibt, erscheint in der Ausgabe vom 9. Oktober 2024 der Zeitschrift Nature. Der Erstautor des Artikels ist Matt Nicholl (Queen’s University Belfast in Irland). Die vollständige Liste der Autoren ist in dem Artikel zu finden, der online verfügbar ist unter: https://arxiv.org/abs/2409.02181

Das Marshall Space Flight Center der NASA leitet das Chandra-Programm. Das Chandra X-ray Center des Smithsonian Astrophysical Observatory steuert den wissenschaftlichen Betrieb von Cambridge, Massachusetts, und den Flugbetrieb von Burlington, Massachusetts, aus.

Lesen Sie mehr vom Chandra-Röntgenobservatorium der NASA.

Erfahren Sie hier mehr über das Chandra-Röntgenobservatorium und seine Mission:

https://www.nasa.gov/chandra

Übersetzung: DeepL.com / Stefan Goth

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• Schwarze Löcher

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Quelle: Technische Universität Darmstadt 11. Juli 2024.

11. Juli 2024 – Forschende unter Beteiligung der TU Darmstadt haben nun neue Erkenntnisse über den Radius des Neutronensterns und dessen Auswirkungen auf die Zustandsgleichung dichter Materie gewonnen. Die Ergebnisse wurden in einer Reihe von Artikeln in der renommierten Fachzeitschrift „The Astrophysical Journal Letters“ veröffentlicht.

PSR J0437 ist ein Pulsar, also ein rotierender Neutronenstern, der elektromagnetische Strahlung aussendet. Er befindet sich etwa 510 Lichtjahre von der Erde entfernt im südlichen Sternbild Pictor. PSR J0437 rotiert 174 Mal pro Sekunde um seine Achse und hat einen Weißen Zwerg, also einen kompakten, alten Stern, als Begleiter. Wie ein Leuchtturm sendet der Pulsar alle 5,75 Millisekunden einen Strahl aus Radiowellen und Röntgenstrahlen in Richtung Erde. Er ist der Millisekunden-Pulsar, der der Erde am nächsten ist. Unter anderem wegen dieser Nähe ist er auch der hellste Millisekundenpulsar.

Wissenschaftler:innen um Devarshi Choudhury und Anna Watts von der Universität Amsterdam (Niederlande) haben nun seinen Radius bestimmt. Für ihre Messungen nutzten sie Daten des Röntgenteleskops NICER an Bord der Internationalen Raumstation. Sie kombinierten die Röntgendaten mit einer Technik namens Pulsprofil-Modellierung. Mit Hilfe von Massenmessungen des Parkes Pulsar Timing Array in Australien konnte so der Radius des Sterns bestimmt werden: 11,4 Kilometer. Die Masse von PSR J0437 ist 1,4-mal größer als die unserer Sonne.

Theoretische Kernphysiker:innen der TU Darmstadt, darunter Melissa Mendes, Isak Svensson und Achim Schwenk, untersuchten gemeinsam mit Astrophysiker:innen um Nathan Rutherford von der University of New Hampshire (USA) die Konsequenzen der neuen Radiusmessung für die Eigenschaften dichter Materie im Inneren des Sterns. Mithilfe eines statistischen Formalismus, der neue Berechnungen der Zustandsgleichung für dichte Materie in den äußeren Kilometern des Neutronensterns sowie den verfügbaren NICER- und Gravitationswellen-Beobachtungen von Neutronensternen verbindet, konnten die Forschenden genauere Beschränkungen für die Radien von Neutronensternen und für die Eigenschaften der dichten Materie im Inneren von Neutronensternen ermitteln.

Die Arbeit an der TU Darmstadt wurde von Melissa Mendes und Isak Svensson geleitet. „Unsere Ergebnisse zeigen, dass die neue NICER-Messung die Zustandsgleichung bei mittleren Dichten, die einige Male so hoch sind wie in Atomkernen, stark einschränkt“, erklärt Mendes. Dies führt zu einem hohen Druck, aber bei dem kleineren Radius von PSR J0437 erweist sich die Zustandsgleichung als relativ softer. Svensson betont: „Es gibt ein besonders interessantes Zusammenspiel zwischen Neutronensternen mit einer Masse von 1,4 Sonnenmassen und schweren Neutronensternen mit einer Masse von zwei Sonnenmassen, das wichtige Anhaltspunkte für die Wechselwirkungen in dichter Materie liefert.“

„Diese Arbeit kombiniert die neuesten Informationen, die wir aus der theoretischen Kernphysik und aus astrophysikalischen Beobachtungen haben, um die Physik stark wechselwirkender Materie unter extremen Bedingungen einzugrenzen“, sagt Schwenk. „Es wird sehr interessant sein, wie zukünftige NICER- und Gravitationswellen-Beobachtungen die Zustandsgleichung der dichtesten beobachtbaren Materie im Universum weiter einschränken werden.“

Die Arbeit von Nathan Rutherford, Melissa Mendes, Isak Svensson et al. ist Teil einer Reihe von Veröffentlichungen. Zusätzlich zu dieser Arbeit über die Zustandsgleichung gibt es die Radiusmessung von PSR J0437-4715 unter der Leitung von Devarshi Choudhury (Universität Amsterdam) https://arxiv.org/abs/2407.06789, die Massenbestimmung unter der Leitung von Daniel Reardon (Swinburne University of Technology, Australien) https://arxiv.org/abs/2407.07132 und eine Aktualisierung der Radiusmessung für den schweren Pulsar PSR J0740+6620 unter der Leitung von Tuomo Salmi (Universität Amsterdam) https://arxiv.org/abs/2406.14466.

Originalpublikation:
Nathan Rutherford, Melissa Mendes, Isak Svensson, Achim Schwenk, Anna L. Watts, Kai Hebeler, Jonas Keller, Chanda Prescod-Weinstein, Devarshi Choudhury, Geert Raaijmakers, Tuomo Salmi, Patrick Timmerman, Serena Vinciguerra, Sebastien Guillot, and James M. Lattimer:
“Constraining the dense matter equation of state with new NICER mass-radius measurements and new chiral effective field theory inputs”
Accepted for publication in The Astrophysical Journal Letters, https://arxiv.org/abs/2407.06790
pdf: https://arxiv.org/pdf/2407.06790

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• Neutronensterne, Pulsare, Magnetare

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Quelle: Technische Universität Darmstadt 8. Juni 2022.

8. Juni 2022 – Überall im Universum werden Neutronensterne in Supernova-Explosionen geboren, die das Ende des Lebens massereicher Sterne markieren. Manchmal sind Neutronensterne in Doppelsternsystemen gebunden und werden schließlich miteinander kollidieren. Diese hochenergetischen, astrophysikalischen Phänomene zeichnen sich durch so extreme Bedingungen aus, dass sie die meisten schweren Elemente wie Silber und Gold erzeugen. Daher sind Neutronensterne und ihre Kollisionen einzigartige Laboratorien zur Untersuchung der Eigenschaften von Materie bei Dichten, die weit über den Dichten in Atomkernen liegen. Experimente mit Schwerionen-Kollisionen, die mit Teilchenbeschleunigern durchgeführt werden, sind eine Möglichkeit, Materie bei hohen Dichten und unter extremen Bedingungen zu erzeugen und zu untersuchen.

„Die Kombination von Erkenntnissen aus der theoretischen und experimentellen Kernphysik und astrophysikalischen Beobachtungen ist unerlässlich, um die Eigenschaften neutronenreicher Materie über den gesamten Dichtebereich, der in Neutronensternen vorkommt, zu verstehen“, erklärt Sabrina Huth, Institut für Kernphysik an der Technischen Universität Darmstadt, Erstautorin der Veröffentlichung. Peter T. H. Pang, ein weiterer Erstautor vom Institut für Gravitations- und subatomare Physik (GRASP) der Universität Utrecht, fügt hinzu: „Wir stellen fest, dass die Teilchenbeschleuniger-Daten von Goldionen-Kollisionen eine bemerkenswerte Übereinstimmung mit astrophysikalischen Beobachtungen aufweisen, obwohl sie mit völlig anderen Methoden gewonnen wurden.“

Dank der jüngsten Fortschritte in der Multi-Messenger-Astronomie konnte das internationale Team, an dem Forschende aus Deutschland, den Niederlanden, den USA und Schweden beteiligt sind, neue Erkenntnisse über die grundlegenden Wechselwirkungen in der Kernmaterie gewinnen. In einer interdisziplinären Studie haben die Wissenschaftler*innen Informationen aus Schwerionenkollisionen mit astronomischen Beobachtungen elektromagnetischer Signale, Messungen von Gravitationswellen und astrophysikalischen und kerntheoretischen Berechnungen zusammengebracht. Ihre systematische Studie kombiniert erstmals all diese Informationen und deutet auf einen höheren Druck bei mittleren Dichten in Neutronensternen hin.

Die Autor*innen haben die Informationen aus Goldionen-Kollisionsexperimenten, die am GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt sowie am Brookhaven National Laboratory und am Lawrence Berkeley National Laboratory in den USA durchgeführt wurden, in ihre mehrstufige Analyse einfließen lassen, welche auf Informationen aus der theoretischen Kernphysik und astrophysikalischen Beobachtungen basiert. Dazu gehören Messungen der Masse von Neutronensternen durch Radiobeobachtungen, Informationen von der „Neutron Star Interior Composition Explorer“ (NICER) Mission auf der Internationalen Raumstation sowie Multi-Messenger-Beobachtungen von Verschmelzungen zweier Neutronensterne.

Die Einbeziehung der Daten von Schwerionen-Kollisionen in die Analysen hat zusätzliche Einschränkungen im Dichtebereich ermöglicht, wo die Kerntheorie und astrophysikalische Beobachtungen weniger sensitiv sind. Dies hat dazu beigetragen, ein vollständigeres Verständnis der dichten Materie zu gewinnen. In Zukunft können verbesserte Daten aus Schwerionenkollisionen eine wichtige Rolle bei der Verknüpfung von Kerntheorie und astrophysikalischen Beobachtungen spielen, indem sie ergänzende Informationen liefern. Insbesondere Experimente, die höhere Dichten erforschen und gleichzeitig die experimentellen Unsicherheiten verringern, haben ein großes Potenzial, neue Hinweise auf die Eigenschaften von Neutronensternen zu liefern. Neue Informationen auf beiden Seiten können leicht in die Berechnungen integriert werden, um das Verständnis dichter Materie in den kommenden Jahren weiter zu verbessern.

Über die TU Darmstadt
Die TU Darmstadt zählt zu den führenden Technischen Universitäten in Deutschland und steht für exzellente und relevante Wissenschaft. Globale Transformationen – von der Energiewende über Industrie 4.0 bis zur Künstlichen Intelligenz – gestaltet die TU Darmstadt durch herausragende Erkenntnisse und zukunftsweisende Studienangebote entscheidend mit.
Ihre Spitzenforschung bündelt die TU Darmstadt in drei Feldern: Energy and Environment, Information and Intelligence, Matter and Materials. Ihre problemzentrierte Interdisziplinarität und der produktive Austausch mit Gesellschaft, Wirtschaft und Politik erzeugen Fortschritte für eine weltweit nachhaltige Entwicklung.
Seit ihrer Gründung 1877 zählt die TU Darmstadt zu den am stärksten international geprägten Universitäten in Deutschland; als Europäische Technische Universität baut sie in der Allianz Unite! einen transeuropäischen Campus auf. Mit ihren Partnern der Rhein-Main-Universitäten – der Goethe-Universität Frankfurt und der Johannes Gutenberg-Universität Mainz – entwickelt sie die Metropolregion Frankfurt-Rhein-Main als global attraktiven Wissenschaftsraum weiter.

Originalpublikation
Sabrina Huth, Peter T. H. Pang, Ingo Tews, Tim Dietrich, Arnaud Le Fèvre, Achim Schwenk, Wolfgang Trautmann, Kshitij Agarwal, Mattia Bulla, Michael W. Coughlin, Chris Van Den Broeck: „Constraining Neutron-Star Matter with Microscopic and Macroscopic Collisions“, DOI 10.1038/s41586-022-04750-w,
https://www.nature.com/articles/s41586-022-04750-w

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