Quelle: ASTRON NL, 17. Juli 2025.

17. Juli 2025 – Dwingeloo – Entdeckung einer neuen Klasse kosmischer Radioemitter

Die Quelle mit der offiziellen Bezeichnung ILT J163430+445010 scheint zu einer bisher unbekannten Klasse von Objekten zu gehören, die als Long-Period Transients (LPTs) bekannt sind: rätselhafte Himmelskörper,
die viel langsamer als typische Pulsare helle Radiopulse aussenden.

Dieses System, das Tausende von Lichtjahren von der Erde entfernt ist, erzeugt alle 14 Minuten Radiopulse und weist dabei eine außergewöhnliche Eigenschaft auf. Einige Pulse haben Radiowellen, die sich im Kreis drehen (zirkulare Polarisation), während andere in geraden Linien schwingen (lineare Polarisation). „J1634+44 ist selbst unter der kleinen Population von Langzeit-Transienten, die bisher gefunden wurden, einzigartig“, sagte Sanne Bloot. „Sein schneller Polarisationswechsel von zirkular zu linear wurde bisher noch bei keinem anderen Objekttyp beobachtet und bietet uns eine seltene Gelegenheit, die Physik hinter diesen hellen und rätselhaften Impulsen zu untersuchen.“

Um die Natur des Objekts zu identifizieren, das die Impulse aussendet, kombinierten die Forscher Radiobeobachtungen mit Beobachtungen im Infrarot-, optischen und ultravioletten Bereich. Ihre Analyse deutet auf einen Weißen Zwerg hin: den heißen, dichten Kern, der übrig bleibt, wenn ein Stern wie unsere Sonne stirbt. Dieser Weiße Zwerg hat eine Oberflächentemperatur zwischen 15.000 und 33.000 Grad Celsius und ist damit viel heißer als unsere Sonne.

Hinweise auf einen versteckten Begleiter, der die Radioemissionen auslöst

Eine weitere außergewöhnliche Eigenschaft dieser Objekte ist, dass die Radiopulse in einem merkwürdigen Rhythmus eintreffen: Sie kommen paarweise, aber erst nachdem sich der tote Stern mehrmals gedreht hat, ohne dass dabei erkennbare Signale erzeugt wurden. Astronomen glauben, dass dieses Muster darauf hindeutet, dass der Weiße Zwerg einen Begleiter hat, möglicherweise einen anderen toten Stern oder einen gescheiterten Stern, einen sogenannten Braunen Zwerg, der durch magnetische Wechselwirkungen die Radioemissionen auslöst.

„Bemerkenswert ist, dass die Zeit zwischen den Impulspaaren einem choreografierten Muster zu folgen scheint“, sagte Dr. Harish Vedantham, Astronom bei ASTRON und Mitautor der Studie. „Wir glauben, dass dieses Muster wichtige Informationen darüber enthält, wie der Begleiter den Weißen Zwerg dazu veranlasst, Radiowellen auszusenden. Eine fortgesetzte Beobachtung sollte uns helfen, dieses Verhalten zu entschlüsseln, aber im Moment stehen wir vor einem echten Rätsel.“

Bislang wurden nur zehn dieser langsam pulsierenden Radioquellen gefunden, sodass jede neue Entdeckung für das Verständnis ihrer Funktionsweise von großem Wert ist. Im Gegensatz zu den meisten früheren Entdeckungen, die hinter Staubwolken und Sternen verborgen waren, befindet sich diese in einem relativ klaren Teil des Himmels und kann detailliert untersucht werden.

Die Entdeckung wurde durch eine systematische Suche nach Impulsen in den Daten des LOFAR Two Metre Sky Survey ermöglicht, einer hochempfindlichen Untersuchung des nördlichen Himmels. Da LOFAR seine Himmelsuntersuchung fortsetzt, erwartet das Team, noch mehrere solcher Objekte zu entdecken. Diese bevorstehenden Entdeckungen könnten endgültig erklären, wie tote Sterne als radioemittierende Leuchtfeuer wieder zum Leben erweckt werden.

J1634+44 wurde gleichzeitig mit dem CHIME-Teleskop von einem Team unter der Leitung von Dr. Fengqiu Adam Dong entdeckt. Ihre Arbeit mit dem Titel „CHIME/FRB Discovery of an Unusual Circularly Polarized Long-Period Radio Transient with an Accelerating Spin Period” wurde im Astrophysical Journal Letters veröffentlicht.

LOFAR enthüllt seltene pulsierende tote Sterne

IDie Quelle wurde bei einer systematischen Suche nach ungewöhnlichen Radiosignalen im Rahmen des LOFAR Two-Metre Sky Survey entdeckt, der große Bereiche des nördlichen Himmels überwacht. Dank der Empfindlichkeit von LOFAR für zirkular polarisierte Radiowellen, die sich wie Korkenzieher drehen, konnte das Team die charakteristische Signatur dieses Systems erkennen. Über einen Zeitraum von fast vier Jahren verfolgten die Astronom*innen die Quelle und zeichneten 19 separate Radiobursts auf. Der hellste davon war hunderte Male stärker als das schwächste nachweisbare Signal.

Diese Entdeckung zeigt, wie moderne Radioteleskope seltene kosmische Phänomene aufdecken können, die für Asteronom*innen bisher unsichtbar waren. Während LOFAR seine Himmelsdurchmusterung fortsetzt, erwartet das Team, mehrere weitere dieser mysteriösen, Radiowellen aussendenden toten Sternsysteme zu entdecken, die eine völlig neue Population kosmischer Objekte offenbaren könnten. Diese Forschung und die zu erwartenden weiteren Entdeckungen könnten endgültig erklären, wie tote Sterne als radioemittierende Leuchtfeuer wieder zum Leben erweckt werden können.

Forschungsteam

Die Forschungsergebnisse wurden in Astronomy & Astrophysics veröffentlicht und sind das Ergebnis einer Zusammenarbeit zwischen ASTRON, der Universität Groningen, der Universität Amsterdam, der Universität Texas in Austin, der Universität Hawaii, der Universität Leiden und der Universität Edinburgh.

Artikel:

1) Strongly polarised radio pulses from a new white dwarf hosting
long-period transient: https://www.aanda.org/articles/aa/full_html/2025/07/aa55131-25/aa55131-25.html

2) CHIME/FRB Discovery of an Unusual Circularly Polarized Long-Period Radio Transient with an Accelerating Spin Period: https://arxiv.org/abs/2507.05139

Über LOFAR ERIC:

LOFAR (LOw Frequency ARray) ist das weltweit größte und empfindlichste Radioteleskop, das bei niedrigen Frequenzen (10–240 MHz) eingesetzt werden soll. Es besteht aus 52 Antennenstationen, die strategisch günstig in ganz Europa verteilt sind: in den Niederlanden, Frankreich, Deutschland, Irland, Lettland, Polen, Schweden und dem Vereinigten Königreich. Der Bau von zwei weiteren internationalen Stationen in Italien und Bulgarien ist geplant.

LOFAR wurde ursprünglich von ASTRON (dem niederländischen Institut für Radioastronomie) entwickelt und hat die Niederfrequenz-Radioastronomie revolutioniert, was in den letzten zehn Jahren zu einer beeindruckenden Anzahl wissenschaftlicher Veröffentlichungen geführt hat. LOFAR bietet eine unübertroffene Empfindlichkeit – über 100 Mal besser als frühere Teleskope, die bei diesen Frequenzen eingesetzt wurden – mit einer außergewöhnlichen Bildauflösung und multidirektionalen Beobachtungsmöglichkeiten.

Seit Dezember 2023 wird die Infrastruktur von LOFAR ERIC verwaltet, einer einzigen juristischen Person in der Europäischen Union, deren Gründungsmitglieder Bulgarien, Deutschland, Irland, Italien, die Niederlande und Polen sind. Mit dem Beitritt Schwedens und des Vereinigten Königreichs ist die Gesamtzahl der Mitglieder auf acht Länder gestiegen, wobei die fortgesetzte Zusammenarbeit mit Instituten in Frankreich und Lettland eine weitere Beteiligung an der verteilten Infrastruktur und dem Forschungsprogramm von LOFAR sicherstellt.

LOFAR führt derzeit eine umfassende Aufrüstung (LOFAR 2.0) durch, die seine wissenschaftlichen Forschungskapazitäten erheblich verbessern und erweitern wird.

Auswirkungen auf die Forschung

Die umfassenden Datenarchive von LOFAR ermöglichen Forschern weltweit den Zugriff auf und die Analyse von vielfältigen astronomischen Beobachtungen und fördern so die globale wissenschaftliche Zusammenarbeit. Diese Archive enthalten detaillierte Beobachtungen von Galaxien und anderen kosmischen Phänomenen und dienen als dynamische Ressource zur Vertiefung unseres Verständnisses des Universums.
Die leistungsstarken Rechen- und Datenspeichereinrichtungen für LOFAR – sowohl inhaltlich als auch vom Umfang her astronomisch – werden in verteilten Rechenzentren in Amsterdam (Niederlande), Jülich (Deutschland) und Posen (Polen) gehostet.

ASTRON ist das niederländische Institut für Radioastronomie und gehört zur Institutsorganisation der NWO. Unsere Mission ist es, Entdeckungen in der Radioastronomie zu ermöglichen. Dazu entwickeln wir neue und innovative Technologien, setzen Weltklasse-Radioastronomieanlagen wie das Westerbork Synthesis Radio Telescope (WSRT) und das Low Frequency Array (LOFAR) ein und betreiben astronomische Grundlagenforschung.

Übersetzung: DeepL.com / Stefan Goth

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• Radioteleskop LOFAR

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Quelle: Max-Planck-Institut für Radioastronomie 16. Juli 2024.

16. Juli 2024 – Ein internationales Team unter der Leitung von Forschenden des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik, des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie und des National Radio Astronomy Observatory hat zehn schnell rotierende Neutronensterne im Kugelsternhaufen Terzan 5 entdeckt. Viele von ihnen befinden sich in ungewöhnlichen und seltenen Doppelsternsystemen, darunter möglicherweise ein rekordverdächtiger Doppelneutronenstern, ein Pulsar in einer extrem elliptischen Umlaufbahn und mehrere „Spinnensysteme“, in denen die Neutronensterne ihre Begleiter verdampfen. Diese Funde in den Daten des MeerKAT-Radioteleskops erhöhen die Anzahl der in diesem sehr dichten Sternhaufen bekannten Millisekunden-Pulsare um mehr als ein Viertel auf insgesamt 49. Das Team hofft, Pulsare in potenziell noch extremeren Doppelsternsystemen zu entdecken. Dazu sollen alle mit MeerKAT von Terzan 5 aufgezeichneten Daten durch Nutzung der enormen Rechenleistung des am MPI für Gravitationsphysik durchgeführten verteilten Rechenprojekts Einstein@Home auf weitere Pulsare durchsucht werden.

„Wir wissen, dass Kugelsternhaufen wie Terzan 5 viele schnell rotierende Neutronensterne beherbergen, und wir wissen auch, dass frühere Beobachtungen dieses Haufens wahrscheinlich einige übersehen haben. Trotzdem haben wir uns sehr gefreut, zehn bisher unbekannte Millisekunden-Pulsare zu entdecken, darunter einige in ungewöhnlichen und extremen Doppelsternsystemen“, sagt Prajwal Voraganti Padmanabh, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut; AEI) in Hannover. „Die Kombination von hochempfindlichen Beobachtungen mit MeerKAT, Archivdaten des Green-Bank-Teleskops aus fast zwei Jahrzehnten und cleveren und effizienten Datenanalysemethoden haben diese Entdeckungen und ihre vollständige Charakterisierung ermöglicht.“

Padmanabh ist Erstautor einer Studie, die kürzlich in der Fachzeitschrift Astronomy & Astrophysics veröffentlicht wurde. Er begann seine Forschungsarbeit an Pulsaren während seiner Tätigkeit am Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR) in Bonn.

Neutronensterne sind kompakte Überreste von Supernova-Explosionen. Sie bestehen aus exotischer, extrem dichter Materie, sind schwerer als unsere Sonne und haben einen Durchmesser von nur etwa 20 Kilometern. Aufgrund ihrer starken Magnetfelder und schnellen Rotation senden sie wie ein kosmischer Leuchtturm gebündelte Radiowellen aus. Wenn die Rotation diese Strahlenbündel regelmäßig auf die Erde richtet, wird der Neutronenstern als pulsierende Radioquelle – als Radiopulsar – sichtbar. Einige dieser Radiopulsare sammeln in Doppelsternsystemen von ihrem Begleiter Materie ein, die sie auf Rotationsperioden von wenigen Millisekunden beschleunigt. Sie werden als Millisekundenpulsare bezeichnet.

Der Kugelsternhaufen Terzan 5 ist einer der Orte mit der höchsten Sternendichte in unserer Milchstraße. In seinem Kernbereich, wo diese Dichte millionenfach höher ist als in der Umgebung unserer Sonne, treffen sich die Sterne und interagieren viel häufiger als anderswo. Dies macht ihn zu einer sehr effizienten „Fabrik“ für Pulsare in außergewöhnlichen Doppelsternen. Vor dieser Studie waren bereits 39 Pulsare in Terzan 5 bekannt; nun kamen zehn weitere hinzu.

Die Forscherinnen und Forscher machten ihre Entdeckungen in Daten des MeerKAT-Radioteleskops. MeerKAT ist eine Anlage von 64 Antennen in der südafrikanischen Karoo mit einer beispiellosen Empfindlichkeit für Quellen am Südhimmel. Im Rahmen des „TRansients and Pulsars using MeerKAT (TRAPUM) Large Survey Project“ beobachtete das Team Terzan 5 zweimal für mehrere Stunden mit jeweils 56 MeerKAT-Antennen. Die Hardware für TRAPUM wurde vom MPIfR finanziert, entworfen und installiert.

„Mittels spezieller Hardware und Software haben wir die Daten der 56 einzelnen MeerKAT-Antennen zu einem virtuellen Teleskop kombiniert, das gleichzeitig fast 300 eng beieinander liegende Himmelspositionen im Bereich von Terzan 5 beobachtet hat“, so Dr. Padmanabh. „Das führt natürlich dazu, dass wir viel mehr Daten auswerten müssen als bei Beobachtungen mit einem einzelnen Teleskop. Aber es hilft uns auch, die Position jedes neuen Pulsars viel genauer zu bestimmen. Das ist bei Einzelteleskopen normalerweise der schwierige Teil, der Monate an zusätzlichen Beobachtungen erfordert.“

Das Team bereitete die Rohdaten vor und suchte dann an den 45 Positionen, die den Zentralbereich von Terzan 5 abdecken, nach Pulsaren. Ihr Arbeitspferd: der Großrechner Atlas am AEI Hannover, der rund 99.000 logische CPU-Kerne in fast 3.200 Servern sowie 400 Grafikkarten mit fast einer Million Kernen für die Datenanalyse bereitstellte. Mit dieser Suche konnten zehn neue Millisekunden-Pulsare aufgespürt werden.

Für jeden in den MeerKAT-Daten an einer genau definierten Himmelsposition gefundenen Pulsar wurde auf die Archivdaten des Green-Bank-Teleskops zurückgegriffen, um zu überprüfen, ob die Entdeckung dort bestätigt werden konnte. „Ohne das Archiv des Green-Bank-Teleskops wären wir nicht in der Lage gewesen, diese Pulsare zu charakterisieren und ihre Astrophysik zu verstehen“, sagt Scott Ransom, Astronom am National Radio Astronomy Observatory (NRAO). Dadurch war man in der Lage, für alle Entdeckungen sogenannte Timing-Modelle zu erstellen. Diese mathematischen Beschreibungen sagen die Ankunftszeit jedes einzelnen der mehreren hundert Milliarden Pulse über die gesamten 19 Jahre Beobachtungszeit präzise voraus.

Um diese Genauigkeit zu erreichen, müssen die Timing-Modelle viele astrophysikalische Eigenschaften berücksichtigen, die die Doppelsysteme mit Pulsaren beschreiben, einschließlich relativistischer Effekte, die sich aus Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie ergeben. Das ermöglichte es den Forschern, die Neutronensterne, ihre Umlaufbahnen, ihre Begleiter und viele andere Eigenschaften genau zu untersuchen und zu überwachen.

„Alle zehn neu entdeckten Pulsare sind ungewöhnlich und besonders und helfen uns, Kugelsternhaufen und Neutronensterne besser zu verstehen und die allgemeine Relativitätstheorie zu testen. Aber einige von ihnen sind selbst in dieser Gruppe selten und speziell“, sagt Paulo Freire, wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Forschungsabteilung „Radioastronomische Fundamentalphysik“ am MPIfR. „Diese Systeme sind nur die jüngsten Beispiele für die wunderbaren, exotischen Sternsysteme, die wir mit MeerKAT in diesen dichten Kugelsternhaufen gefunden haben. Zusammen mit jüngsten Beispielen wie dem Objekt NGC 1851E, das das erste Pulsar-Schwarzes-Loch-System darstellen könnte, zeigen uns die Ergebnisse, dass Kugelsternhaufen eine Goldmine voller Möglichkeiten darstellen.“

Vivek Venkatraman Krishnan vom MPIfR ist Mitautor der vorliegenden Arbeit. Er sucht im Rahmen des ERC Research Grants COMPACT („Understanding gravity using a comprehensive search for fast-spinning pulsars and compact binaries“) ebenfalls nach binären Pulsaren in Kugelsternhaufen. „Mit COMPACT werden wir ein maßgeschneidertes Suchsystem für Pulsare entwickeln und einsetzen, um noch extremere Versionen dieser Doppelsterne in Kugelsternhaufen zu entdecken“, sagt er.

Eine der Entdeckungen ist ein Doppelsternsystem, das möglicherweise aus zwei Neutronensternen besteht. Diese Doppelneutronensterne sind sehr selten – gerade einmal 20 von mehr als 3600 bekannten Pulsaren gehören zu dieser besonderen Spezies. Sollten zukünftige Beobachtungen diesen Verdacht bestätigen, wäre das Doppelsystem auch ein Rekordbrecher mit dem am schnellsten rotierenden Pulsar und der längsten Umlaufzeit solcher Objekte. Andererseits könnte es sich bei diesem System auch um einen massereichen Pulsar in Begleitung eines Weißen Zwergs handeln. Ein schwerer Pulsar könnte Aufschluss über die innere Zusammensetzung von Neutronensternen geben.

Die extrem elliptische Umlaufbahn eines anderen neuen Pulsars deutet auf eine Reihe von engen Begegnungen mit anderen Sternen in seiner Vergangenheit hin. Wenn im Gedränge im Zentrum von Terzan 5 Sterne an einem Doppelsternsystem vorbeiziehen, kann ihre Schwerkraft dessen Bahnen stören und sogar seine Komponenten herausschleudern oder deren Plätze einnehmen.

Nachdem das Team die Zahl der bekannten Pulsare in Terzan 5 schon um mehr als ein Viertel gesteigert hat, plant es bereits, weitere zu finden. Die Suche wird erweitert auf Pulsare in Doppelsystemen, deren Umlaufzeiten deutlich kürzer sind als die der bisher entdeckten. Die Forscher beabsichtigen, mit der Hilfe des verteilten freiwilligen Computerprojekts Einstein@Home alle mit MeerKAT gewonnenen Daten von Terzan 5 zu analysieren. Das Projekt, das von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern am AEI Hannover geleitet wird, hat bereits mehr als 90 neue Neutronensterne entdeckt. Mit MeerKAT soll der Kugelsternhaufen Terzan 5 auch bei höheren Radiofrequenzen beobachtet werden, was die Chancen auf neue Entdeckungen weiter erhöhen dürfte.

„Nach allem, was wir über Terzan 5 wissen, erwarten wir, dass er noch viele weitere extreme Doppelsternsysteme beherbergt, von denen jedes ein potenzielles Labor für die Überprüfung der Einsteinschen Relativitätstheorie ist“, schließt Prajwal Voraganti Padmanabh. „Wer weiß, vielleicht ist das nächste, was wir in diesem erstaunlichen Kugelsternhaufen finden, etwas so Exotisches wie ein Paar Millisekunden-Pulsare oder ein Millisekunden-Pulsar, der ein Schwarzes Loch umkreist?“

Hintergrundinformation
Das vom South African Radio Astronomy Observatory (SARAO) betriebene MeerKAT ist das größte Radioteleskop der südlichen Hemisphäre und eines von zwei Vorläuferinstrumenten des SKA-Projekts in Südafrika. Das in der Karoo-Wüste gelegene Radioteleskop wird demnächst durch eine zusätzliche Anzahl von Parabolantennen zum „MeerKAT+“ erweitert. Dieses wird später schrittweise in das SKAO-Teleskop für einen mittleren Frequenzbereich (SKA-MID) integriert, dessen Bau bereits begonnen hat und bis 2028 andauern wird. Die ersten wissenschaftlichen Beobachtungen von MeerKAT+ haben bereits 2023 während der Testphase des Teleskops begonnen.

TRAPUM (TRAnsients and PUlsars with MeerKAT) ist eines der Large Survey Proposals, die mit dem MeerKAT-Teleskop durchgeführt werden. Es handelt sich um ein internationales Kollaborationsprojekt, das von der Universität Manchester und dem MPIfR geleitet wird, und an dem Institutionen wie das INAF, das National Radio Astronomy Observatory (NRAO) und das South African Radio Astronomy Observatory (SARAO) beteiligt sind.

Das National Radio Astronomy Observatory ist eine Einrichtung der National Science Foundation, im Rahmen einer Kooperationsvereinbarung von Associated Universities, Inc. Das Green Bank Observatory ist eine Einrichtung der National Science Foundation, die im Rahmen eines Kooperationsabkommens von Associated Universities, Inc. betrieben wird.

Autoren der Veröffentlichung sind P. V. Padmanabh, S. M. Ransom, P. C. C. Freire, A. Ridolfi, J. D. Taylor, C. Choza, C. J. Clark, F. Abbate, M. Bailes, E. D. Barr, S. Buchner, M. Burgay, M. E. DeCesar, W. Chen, A. Corongiu, D. J. Champion, A. Dutta, M. Geyer, J. W. T. Hessels, M. Kramer, A. Possenti, I. H. Stairs, B. W. Stappers, V. Venkatraman Krishnan, L. Vleeschower und L. Zhang. Paulo Freire, Ewan Barr, Weiwei Chen, David Champion, Arunima Dutta, Michael Kramer und Vivek Venkatraman Krishnan sind Mitarbeiter am MPIfR. Der Erstautor, Prajwal Voraganti Padmanabh, sowie Alessandro Ridolfi und Federico Abbate sind ebenfalls mit dem MPIfR affiliiert.

Originalveröffentlichung
Discovery and timing of ten new millisecond pulsars in the globular cluster Terzan 5
P. V. Padmanabh et al., Astronomy & Astrophysics (A&A), Volume 686, A166 (Juni 2024)
https://www.aanda.org/articles/aa/full_html/2024/06/aa49303-24/aa49303-24.html

Discovery and timing of ten new millisecond pulsars in the globular cluster Terzan 5
P. V. Padmanabh et al., arXiv Preprint
https://arxiv.org/abs/2403.17799

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• Neutronensterne, Pulsare, Magnetare

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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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Quelle: Max-Planck-Institut für Radioastronomie 18. Januar 2024.

18. Januar 2024 – Ein internationales Team von Astronominnen und Astronomen unter der Leitung von Forschern des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie hat mit dem MeerKAT-Radioteleskop ein faszinierendes Objekt unbekannter Natur im Kugelsternhaufen NGC 1851 entdeckt. Es ist schwerer als die schwersten bekannten Neutronensterne und gleichzeitig leichter als die leichtesten bekannten Schwarzen Löcher und befindet sich in einer Umlaufbahn um einen sich schnell drehenden Millisekunden-Pulsar. Dies könnte die erstmalige Entdeckung eines Doppelsternsystems aus Radiopulsar und Schwarzem Loch sein, und damit einer Sternenpaarung, die neue Tests der allgemeinen Relativitätstheorie von Einstein ermöglichen würde.

Die Forschungsergebnisse werden in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift Science veröffentlicht.

Neutronensterne, die ultradichten Überreste einer Supernova-Explosion, können nur eine bestimmte Maximalmasse erreichen. Sobald sie zu viel Masse angehäuft haben, zum Beispiel durch das Verschlucken eines anderen Sterns oder durch die Kollision mit einem anderen Neutronenstern, stürzen sie in sich zusammen. Was bei einem solchen Kollaps aus ihnen wird, ist Anlass für zahlreiche Spekulationen. Die vorherrschende Meinung ist jedoch, dass Neutronensterne zu schwarzen Löchern kollabieren, also zu Objekten, die ein so starkes Gravitationsfeld haben, dass nicht einmal Licht ihnen entkommen kann. Die Theorie, die durch Beobachtungen gestützt wird, besagt, dass die leichtesten schwarzen Löcher, die durch kollabierende Sterne entstehen können, etwa fünfmal mehr Masse haben als die Sonne. Dies ist erheblich mehr als die 2,2-fache Sonnenmasse, die für den Kollaps eines Neutronensterns erforderlich ist, was zu der so genannten Massenlücke bei Schwarzen Löchern führt. Die Art der kompakten Objekte in dieser Massenlücke ist bisher unbekannt. Eine detaillierte Untersuchung hat sich als schwierig erwiesen, da solche Objekte bisher nur durch Gravitationswellen aus dem fernen Universum entdeckt werden konnten.

Die Entdeckung eines Objekts in dieser Masselücke in unserer Milchstraße durch ein Team von Astronominnen und Astronomen der internationalen Kollaboration „Transients and Pulsars with MeerKAT“ (TRAPUM) könnte helfen, diese Objekte besser zu verstehen. Ihre Arbeit, die in dieser Woche in der Fachzeitschrift Science veröffentlicht wird, berichtet über ein massereiches Paar kompakter Sterne im Kugelsternhaufen NGC 1851 im südlichen Sternbild Columba (Taube). Durch den Einsatz des empfindlichen MeerKAT-Radioteleskops in Südafrika in Verbindung mit leistungsstarken Geräten, die von Ingenieuren des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie (MPIfR) in Bonn gebaut wurden, konnten sie schwache Impulse von einem der Sterne aufspüren und ihn als Radiopulsar identifizieren. Das ist eine Art Neutronenstern, der sich sehr schnell dreht und wie ein kosmischer Leuchtturm Radiosignale ins Universum sendet. Der neu entdeckte Pulsar mit der Bezeichnung PSR J0514-4002E dreht sich mehr als 170 Mal pro Sekunde um die eigene Achse, wobei jede Umdrehung einen rhythmischen Puls erzeugt, der dem Ticken einer Uhr gleicht. Das Ticken dieser Pulse erfolgt extrem regelmäßig. Durch die Messung kleiner Abweichungen, das sogenannte Pulsar-Timing, waren die Forscher in der Lage, äußerst präzise Bestimmungen der Orbitalbewegung des Pulsars vorzunehmen. „Stellen Sie sich vor, Sie könnten eine fast perfekte Stoppuhr in die Umlaufbahn eines fast 40.000 Lichtjahre entfernten Sterns bringen und dann die Zeit der Umläufe mit Mikrosekundengenauigkeit messen“, sagt Ewan Barr, der die Studie zusammen mit seiner Kollegin Arunima Dutta, Doktorandin am MPIfR, geleitet hat.

Dadurch war eine präzise Bestimmung der Position des Systems möglich. Es stellte sich heraus, dass das Objekt, das den Pulsar umkreiste, und das in den Bildern des Hubble-Weltraumteleskops von NGC 1851 nicht zu sehen ist, kein normaler Stern sein kann, sondern der extrem dichter Überrest eines kollabierten Sterns. Darüber hinaus zeigte die beobachtete zeitliche Veränderung des Punktes der größten Annäherung zwischen den beiden Sternen, dass der Begleiter eine Masse hat, die gleichzeitig größer als die jedes bekannten Neutronensterns und kleiner als die jedes bekannten Schwarzen Lochs ist. Damit fällt er genau in die Massenlücke des Schwarzen Lochs.

„Was auch immer dieses Objekt ist, es ist eine aufregende Nachricht“, sagt Paulo Freire, ebenfalls vom MPIfR. „Wenn es sich um ein Schwarzes Loch handelt, ist es das erste bekannte Pulsar-Schwarzes-Loch-System, dessen Entdeckung seit Jahrzehnten den Heilige Gral der Pulsarastronomie darstellt! Wenn es sich um einen Neutronenstern handelt, wird dies grundlegende Auswirkungen auf unser Verständnis des unbekannten Zustands der Materie bei diesen unglaublichen Dichten haben!“

Die Forscher gehen davon aus, dass die Entstehung des massereichen Objekts und seine anschließende Verbindung mit dem sich schnell drehenden Radiopulsar auf einer engen Umlaufbahn das Ergebnis eines eher exotischen Vorgangs ist (Abb. 3), die nur aufgrund der besonderen lokalen Umgebung möglich war. Das System befindet sich im Kugelsternhaufen NGC 1851, einer dichten Ansammlung alter Sterne, die viel dichter gepackt sind als die Sterne im übrigen Teil der Galaxis. Durch den geringen Abstand können die Sterne gegenseitig ihre Bahnen stören und im Extremfall sogar miteinander kollidieren. Aus einer solchen Kollision dürfte das jetzt entdeckte Objekt entstanden sein. Bevor jedoch der jetzige Doppelstern entstand, muss der Radiopulsar zunächst Material von einem Spenderstern in einem sogenannten massearmen Röntgendoppelsternsystem erhalten haben. Ein solcher „Recycling“-Prozess ist notwendig, um den Pulsar auf seine aktuelle Rotationsrate zu beschleunigen. Das Team glaubt, dass dieser Spenderstern dann in einem so genannten Austauschvorgang durch das heutige massereiche Objekt ersetzt wurde. „Dies ist der exotischste binäre Pulsar, der bisher entdeckt wurde“, sagt Thomas Tauris von der Universität Aalborg, Dänemark. „Seine lange und komplexe Entstehungsgeschichte stößt an die Grenzen unserer Vorstellungskraft.“

Die Wissenschaftler können noch nicht abschließend sagen, ob sie den massereichsten bekannten Neutronenstern, das leichteste bekannte Schwarze Loch oder gar eine neue exotische Sternvariante entdeckt haben. Sicher ist jedoch, dass sie ein einzigartiges Labor zur Erforschung der Eigenschaften von Materie unter den extremsten Bedingungen im Universum gefunden haben.

„Wir sind mit diesem System noch nicht fertig“, sagt Arunima Dutta. Sie führt weiterhin aus: „Die Aufdeckung der wahren Natur des Begleiters wird einen Wendepunkt in unserem Verständnis von Neutronensternen, Schwarzen Löchern und allem, was sonst noch in der Massenlücke des Schwarzen Lochs lauern könnte, darstellen.“

Weitere Informationen
MeerKAT: Das vom South African Radio Astronomy Observatory (SARAO) betriebene MeerKAT-Teleskop ist das größte Radioteleskop der südlichen Hemisphäre und eines von zwei Vorläuferinstrumenten für das SKA-Observatoriums (SKAO) in Südafrika. Das in der Karoo-Halbwüste gelegene Radioteleskop wird demnächst im Rahmen des von SARAO und der Max-Planck-Gesellschaft (MPG) gemeinsam finanzierten Projekts „MeerKAT+“ um eine zusätzliche Anzahl von Parabolspiegeln erweitert werden. MeerKAT wird später schrittweise in das „Mid-Frequency“–Teleskop des SKAO in Südafrika integriert.

TRAPUM: „Transients and Pulsars with MeerKA“ (TRAPUM) ist ein laufendes Durchmusterungsprojekt mit dem Radioteleskop MeerKAT. Die Mitglieder des Projekts bilden eine internationale Kollaboration von Universitäten und Forschungsinstituten aus 10 Ländern unter der Leitung von Prof. Michael Kramer (Max-Planck-Institut für Radioastronomie, Deutschland) und Prof. Benjamin Stappers (University of Manchester, Großbritannien). Das Ziel der TRAPUM-Durchmusterung und der Zusammenarbeit ist die Beobachtung von Quellen von besonderem Interesse bei der Suche nach Radiopulsaren. Die Beobachtungen konzentrieren sich auf von Fermi-LAT entdeckte Gammastrahlenquellen, Kugelsternhaufen, Supernovaüberreste und nahe Galaxien. Bis heute wurden im Rahmen von TRAPUM und seiner Schwesterprojekte mehr als 200 Pulsare mit MeerKAT entdeckt.

Entstehungsgeschichte von NGC 1851E: Eine mögliche Geschichte der Entwicklung des NGC 1851E-Systems wird in Abbildung 3 dargestellt. Auf der linken Seite der Abbildung wird gezeigt, wie der Millisekunden-Pulsar PSR J0514-4002E (MSP) durch den Einfang von Materie aus einem stellaren Begleiter in einem massearmen Röntgendoppelstern (LMXB) ins Trudeln geriet. Was nach dem Stadium des massearmen Röntgendoppelsterns übrig bleibt, sind ein sich schnell drehender Pulsar und ein Weißer Zwerg, die einander umkreisen – eine typische Konfiguration, die in der gesamten Galaxis zu beobachten ist. Rechts wird die Entstehung des massereichen Begleitobjekts gezeigt. Hier sind zwei Neutronensterne im Orbit (NS + NS). Der Energieverlust durch die Emission von Gravitationswellen lässt diese Umlaufbahn mit der Zeit schrumpfen, was schließlich zu einer explosiven Neutronensternfusion führt. Das Ergebnis der Fusion ist ein isoliertes massearmes Schwarzes Loch (BH) oder möglicherweise ein supermassereicher Neutronenstern. Zu einem späteren Zeitpunkt treffen das Schwarze Loch und der Doppelstern aus Pulsar und Weißem Zwerg aufeinander. Dabei wird der leichteste der drei Sterne, in diesem Fall der Weiße Zwerg, aus der Umlaufbahn geschleudert. Das Ergebnis ist ein stabiles Pulsar-Schwarzes-Loch-System.

Autoren der Veröffentlichung sind Ewan D. Barr, Arunima Dutta, Paulo C. C. Freire, Mario Cadelano, Tasha Gautam, Michael Kramer, Cristina Pallanca, Scott M. Ransom, Alessandro Ridolfi, Benjamin W. Stappers, Thomas M. Tauris, Vivek Venkatraman Krishnan, Norbert Wex, Matthew Bailes, Jan Behrend, Sarah Buchner, Marta Burgay, Weiwei Chen, David J. Champion, C. -H. Rosie Chen, Alessandro Corongiu, Marisa Geyer, Y. P. Men, Prajwal V. Padmanabh und Andrea Possenti. Von den Autoren haben Ewan Barr, Arunima Dutta, Paulo Freire, Tasha Gautam, Michael Kramer, Alessandro Ridolfi, Thomas Tauris, Vivek Venkatraman Krishnan, Norbert Wex, Jan Behrend, Weiwei Chen, David Champion, Rosie Chen, Y. P. Men und Prajwal Padmanabh eine Zugehörigkeit zum MPIfR.

Originalveröffentlichung
A pulsar in a binary with a compact object in the mass gap between neutron stars and black holes
E. Barr et al., Science, 19. Januar 2024, Vol 383, Issue 6680, pp. 275-279, DOI: 10.1126/science.adg3005
https://www.sciencenews.org/article/enigma-pulsar-companion-mass-ticks

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Quelle: DESY 5. Oktober 2023.

5. Oktober 2023 – Mit dem H.E.S.S.-Observatorium in Namibia hat ein internationales Forschungsteam die bislang energiereichsten Gammastrahlen von einem Pulsar entdeckt, einem ausgebrannten, toten Stern. Die registrierte Strahlung hat rund zehn Billionen Mal so viel Energie wie sichtbares Licht. Die Beobachtung lässt sich nur schwer mit der gängigen Theorie zur Erzeugung solcher gepulsten Gammastrahlung vereinbaren, wie das internationale Team in der Zeitschrift „Nature Astronomy“ berichtet.

Pulsare sind die übrig gebliebenen Reste von Sternen, die spektakulär in einer Supernova explodiert sind. Die Explosion hinterlässt einen winzigen, toten Stern mit einem Durchmesser von nur etwa 20 Kilometern, der extrem schnell rotiert und mit einem enormen Magnetfeld ausgestattet ist. „Diese toten Sterne bestehen fast ausschließlich aus Neutronen und sind unglaublich dicht: Ein Teelöffel ihres Materials wiegt mehr als fünf Milliarden Tonnen, was etwa dem 900-fachen Gewicht der Großen Pyramide von Gizeh entspricht“, erklärt H.E.S.S.-Wissenschaftlerin Emma de Oña Wilhelmi von DESY, Mitautorin der Veröffentlichung.

Wie eine Art kosmische Leuchttürme senden Pulsare kreisende Strahlen ins All. Wenn ihr Strahl über unser Sonnensystem hinwegfegt, sehen wir in regelmäßigen Abständen Strahlungsblitze. Diese Blitze lassen sich bei zahlreichen Wellenlängen des elektromagnetischen Spektrums beobachten, von den Radiowellen bis zur Gammastrahlung. Nach der gängigen Theorie stammt die Strahlung von schnellen Elektronen, die von den starken Magnetfeldern des Pulsars beschleunigt und abgelenkt werden. Die Elektronen bewegen sich dabei von der Oberfläche des Pulsars nach außen bis zum Rand seiner Magnetosphäre. „Auf ihrer Reise nach außen nehmen die Elektronen Energie auf und setzen sie in Form der beobachteten Strahlung frei“, sagt Ko-Autor Bronek Rudak vom Astronomischen Zentrum Nikolaus Kopernikus (CAMK PAN) in Polen. Der Bereich, in dem dies geschieht, wird Lichtzylinder genannt.

Der Vela-Pulsar befindet sich am Südhimmel im Sternbild Vela (Segel des Schiffes). Er ist der hellste Pulsar im Radioband des elektromagnetischen Spektrums und die hellste anhaltende Quelle kosmischer Gammastrahlung im Giga-Elektronenvolt-Bereich. Er rotiert etwa elfmal pro Sekunde. Oberhalb einiger Giga-Elektronenvolt (GeV) endet seine Strahlung jedoch abrupt, vermutlich weil die Elektronen das Ende der Magnetosphäre des Pulsars erreichen und aus ihr entweichen.

Doch wie sich nun herausstellte, ist das noch nicht alles: H.E.S.S. hat eine neue Komponente der Strahlung bei noch höheren Energien registriert. Diese kosmischen Gammaquanten besaßen eine Energie von bis zu 20 Tera-Elektronenvolt (TeV). „Das ist etwa 200 Mal energiereicher als sämtliche Strahlung, die bisher von diesem Objekt gemessen wurde“, sagt Ko-Autor Christo Venter von der North-West University in Südafrika. Diese neu entdeckte Komponente tritt synchron zur Strahlung im GeV-Bereich auf. Um diese enormen Energien zu erreichen, müssten die Elektronen jedoch stärker beschleunigt werden als dies eigentlich in der Magnetosphäre möglich ist. Und dabei muss der Rhythmus der Emission intakt bleiben.

„Dieses Ergebnis stellt unser bisheriges Wissen über Pulsare in Frage und erfordert ein Überdenken der Theorie von der Funktionsweise dieser natürlichen Beschleuniger“, sagt Arache Djannati-Atai vom Astroteilchen- und Kosmologie-Labor APC in Frankreich, der die Forschung geleitet hat. „Das traditionelle Schema, wonach die Teilchen entlang der Magnetfeldlinien innerhalb oder leicht außerhalb der Magnetosphäre beschleunigt werden, kann unsere Beobachtungen nicht ausreichend erklären. Vielleicht sind wir Zeugen der Beschleunigung von Teilchen durch die sogenannte magnetische Rekonnexion jenseits des Lichtzylinders, bei dem das Rotationsmuster noch irgendwie erhalten bleibt? Aber selbst dieses Szenario tut sich schwer mit der Erzeugung solch extrem energiereicher Strahlung.“ Die Theoretikerinnen und Theoretiker müssen daher neue Modelle entwickeln.

Wie auch immer die Erzeugung der Strahlung abläuft, hält der Vela-Pulsar neben anderen Superlativen nun offiziell den Rekord als Pulsar mit der energiereichsten Gammastrahlung, die bislang von einem solchen Objekt entdeckt worden ist. „Diese Entdeckung öffnet ein neues Beobachtungsfenster für die Entdeckung anderer Pulsare im Bereich von einigen Dutzend Tera-Elektronenvolt mit aktuellen und zukünftigen empfindlicheren Gammateleskopen und ebnet damit den Weg für ein besseres Verständnis der extremen Beschleunigungsprozesse in stark magnetisierten astrophysikalischen Objekten“, sagt Djannati-Atai.

Über H.E.S.S.
Das High Energy Stereoscopy System (H.E.S.S.) ist eine Anordnung von fünf abbildenden atmosphärischen Cherenkov-Teleskopen zur Untersuchung kosmischer Gammastrahlen. Das Observatorium wird im Rahmen einer internationalen Zusammenarbeit betrieben. Die Teleskope befinden sich in Namibia, in der Nähe des Gamsbergs, in einer Region, die für ihre hervorragenden optischen Eigenschaften bekannt ist. Vier H.E.S.S.-Teleskope wurden 2002/2003 in Betrieb genommen, das wesentlich größere fünfte Teleskop mit der Bezeichnung H.E.S.S. II ist seit Juli 2012 in Betrieb und erweitert die Energieabdeckung in Richtung niedrigerer Energien und verbessert die Empfindlichkeit weiter. Mehr als 230 Forschende aus 41 Instituten in 15 verschiedenen Ländern sind an H.E.S.S. beteiligt.

Über DESY
Das Deutsche Elektronen-Synchrotron DESY zählt mit seinen Standorten in Hamburg und Zeuthen zu den weltweit führenden Zentren in der Forschung an und mit Teilchenbeschleunigern. Die Mission des Forschungszentrums ist die Entschlüsselung von Struktur und Funktion der Materie, als Basis zur Lösung der großen Fragen und drängenden Herausforderungen von Wissenschaft, Gesellschaft und Wirtschaft. Dafür entwickelt, baut und betreibt DESY modernste Beschleuniger- und Experimentieranlagen für die Forschung mit hochbrillantem Röntgenlicht und unterhält internationale Kooperationen in der Teilchen- und Astroteilchenphysik und in der Forschung mit Photonen. DESY ist Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft, der größten Wissenschaftsorganisation Deutschlands, und wird zu 90 Prozent vom Bundesministerium für Bildung und Forschung und zu 10 Prozent von den Ländern Hamburg und Brandenburg finanziert.

Originalveröffentlichung
Discovery of a Radiation Component from the Vela Pulsar Reaching 20 Teraelectronvolts; The H.E.S.S. collaboration; „Nature Astronomy“, 2023; DOI: 10.1038/s41550-023-02052-3, https://www.nature.com/articles/s41550-023-02052-3.

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Quelle: Max-Planck-Institut für Radioastronomie 5. September 2023.

5. September 2023 – Der Europäische Forschungsrat (ERC) hat Dr. Aditya Parthasarathy, einem Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR) in Bonn, im Rahmen des Förderprogramms „Horizon Europe“ einen renommierten und äußerst begehrten Starting Grant in Höhe von rund 1,6 Millionen Euro verliehen. Der Betrag wird es ihm und seinem Team ermöglichen, die genannten grundlegenden Fragen der Astrophysik im Rahmen des Projekts „A Gamma-ray Infrastructure to Advance Gravitational Wave Astrophysics“ (GIGA) zu untersuchen.

„Es ist eine sehr aufregende Zeit für die Gravitationswellenforschung bei niedrigen Frequenzen. Mit GIGA werden wir den Stand der Technik für Pulsar-Timing-Arrays sowohl im Gammastrahlen- als auch im Radiowellenbereich vorantreiben“, sagt Dr. Aditya Parthasarathy. Pulsare entstehen durch den finalen Gravitationskollaps massereicher Sterne, der einen kompakten Neutronenstern zurücklässt, der dichter als ein Atomkern ist und sich Hunderte Male pro Sekunde um die eigene Achse dreht. Neutronensterne senden bei jeder Umdrehung Strahlen aus, die wie ein Signal von kosmischen Leuchttürmen durch die Galaxis ziehen. Die unglaubliche Regelmäßigkeit ihrer Pulse kann genutzt werden, um nach winzigen Schwankungen in ihrem Ticken zu suchen, die eine Fülle astrophysikalischer Informationen enthalten. Ein Pulsar-Timing-Array nutzt eine ganze Ansammlung solcher kosmischen Uhren, um das schwache Meer von Gravitationswellen zu entdecken, das das Universum durchdringt.

Es wird erwartet, dass dieser sogenannte Gravitationswellenhintergrund von Paaren supermassereicher schwarzer Löcher stammt, die in den Zentren verschmelzender Galaxien zu finden sind. Ein signifikanter Nachweis dieses Signals wird unser Verständnis der Entwicklung von Galaxien und der Eigenschaften des frühen Universums kurz nach dem Urknall verbessern. Kürzlich hat ein internationales Team von Astronomen den ersten überzeugenden Beweis für den Gravitationswellenhintergrund bekannt gegeben, wobei viele der empfindlichsten Radioteleskope der Welt und über 15 Jahre lang gesammelte Daten zum Einsatz kamen. Obwohl dieses bahnbrechende Ergebnis den ersten Schritt zur Erforschung niederfrequenter Gravitationswellen darstellt, bleibt noch sehr viel zum weiteren Verständnis zu tun.

„Eines der größten Hindernisse bei der Verbesserung der Empfindlichkeit von Pulsar Timing Arrays ist unsere Kenntnis des interstellaren Mediums und der Modellierung seiner Auswirkungen auf die Beobachtungsdaten von Pulsaren“, sagt Dr. Parthasarathy. Wenn sich Radiowellen vom Pulsar zu unserem Planeten ausbreiten, werden sie von den Elektronen im interstellaren Medium abgelenkt, was direkte Messungen der Gravitationswellenparameter verfälscht. „GIGA wird diese große Einschränkung überwinden, indem es Gammastrahlen-Beobachtungen von Pulsaren mit dem Fermi-Weltraumteleskop der NASA nutzt. Da Gammastrahlen nicht in gleicher Weise durch das interstellare Medium beeinflusst werden, wird ein Gammastrahlen-Pulsar-Timing-Array einen unabhängigen und direkteren Nachweis des Gravitationswellenhintergrunds ermöglichen“, fügt er hinzu.

„GIGA ist eine aufregende Idee, die bahnbrechende Ergebnisse verspricht“, sagt Prof. Michael Kramer, Direktor am MPIfR und Leiter der Forschungsabteilung „Radioastronomische Fundamentalphysik“ des Instituts. „Eine Kombination von Gammastrahlen- und Radiodaten wird nicht nur die abgeleitete Empfindlichkeit für den Gravitationswellenhintergrund erhöhen, sondern auch dazu beitragen, dessen astrophysikalische Ursprünge besser zu verstehen“, fügt er hinzu.

Dr. Parthasarathy wird vor Ende 2023 zu ASTRON, dem niederländischen Institut für Radioastronomie, wechseln, wo er seinen ERC Starting Grant nutzen wird, seine eigene Forschungsgruppe aufzubauen. „Ich freue mich sehr darauf, meine Forschungsgruppe aufzubauen, während ich weiterhin mit meinen MPIfR-Kollegen zusammenarbeite, und ich bin dem ERC für die Finanzierung dankbar“, sagt er abschließend.

Hintergrundinformation
Der Europäische Forschungsrat (ERC) gibt die Vergabe von 400 Starting Grants an junge Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler in ganz Europa bekannt. Mit den Finanzhilfen in Höhe von insgesamt € 628 Mio. € – wird die Spitzenforschung in einem breiten Spektrum von Bereichen unterstützt, von Medizin und Physik bis hin zu Sozial- und Geisteswissenschaften. Die Grants helfen Forschern am Anfang ihrer Laufbahn, ihre eigenen Projekte zu starten, Forschungsteams zu bilden und ihre besten Ideen zu verfolgen.

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• Ehrungen

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Quelle: ESON 30. August 2023.

30. August 2023 – Das mysteriöse Objekt ist dafür bekannt, dass es fast ständig zwischen zwei Helligkeitszuständen wechselt, was bis jetzt ein Rätsel war. Wie Astronom*innen nun herausgefunden haben, sind plötzliche Materieauswürfe des Pulsars in sehr kurzen Zeiträumen für diese seltsamen Wechsel verantwortlich.

„Wir haben außergewöhnliche kosmische Ereignisse registriert. Dabei werden enorme Mengen an Materie ähnlich wie kosmische Kanonenkugeln innerhalb von einigen zehn Sekunden, also einem sehr kurzen Zeitraum, von einem kleinen, dichten Himmelsobjekt, das mit unglaublich hoher Geschwindigkeit rotiert, ins Weltall geschleudert“, erklärt Maria Cristina Baglio, Forscherin an der New York University Abu Dhabi, die auch dem Italienischen Nationalen Institut für Astrophysik (INAF) angehört. Sie ist die Erstautorin der heute in der Fachzeitschrift Astronomy & Astrophysics veröffentlichten Studie.

Ein Pulsar ist ein schnell rotierender, magnetischer, toter Stern, der einen Strahl elektromagnetischer Strahlung ins Weltall aussendet. Während er rotiert, überstreicht dieser Strahl den Kosmos – ähnlich wie der Lichtkegel eines Leuchtturms, der seine Umgebung abtastet – und kann entdeckt werden, wenn er die Sichtlinie zur Erde kreuzt. Dadurch scheint der Stern von unserem Heimatplaneten aus gesehen in seiner Helligkeit zu pulsieren.

PSR J1023+0038, oder kurz J1023, ist eine besondere Art von Pulsar mit einem eigenartigen Verhalten. Er befindet sich in etwa 4500 Lichtjahren Entfernung im Sternbild Sextant und umkreist einen anderen Stern in einer engen Umlaufbahn. In den letzten zehn Jahren hat der Pulsar seinem Begleiter ständig Materie entzogen, die sich in einer Scheibe um den Pulsar ansammelt und langsam auf ihn herabfällt.

Seit Beginn dieser Materieansammlung ist der Strahl des Pulsars praktisch verschwunden und der Pulsar hat begonnen, unaufhörlich zwischen zwei Modi zu wechseln. Im „aktiven“ Modus strahlt der Pulsar helles Röntgenlicht, ultraviolettes und sichtbares Licht ab, während er im „passiven“ Modus bei diesen Frequenzen schwächer ist und mehr Radiowellen aussendet. Der Pulsar kann in jedem Modus mehrere Sekunden oder Minuten lang verweilen und dann innerhalb weniger Sekunden in den anderen Modus wechseln. Dieses Umschalten hat Forschende bisher vor ein Rätsel gestellt.

„An unserer einzigartigen Beobachtungskampagne zur Untersuchung des Verhaltens dieses Pulsars waren ein Dutzend modernster bodengebundener und weltraumbasierter Teleskope beteiligt“, erzählt Francesco Coti Zelati, Forscher am Institut für Weltraumwissenschaften in Barcelona in Spanien und Mitautor der Studie. An der Messreihe beteiligten sich das Very Large Telescope (VLT) und das New Technology Telescope (NTT) der ESO, die sichtbares und nahinfrarotes Licht erfassen, sowie das Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), an dem die ESO beteiligt ist. In zwei Nächten im Juni 2021 beobachteten sie, wie das System über 280 Mal zwischen seinem aktiven und passiven Modus wechselte.

„Wir haben festgestellt, dass das Umschalten zwischen den Modi auf ein kompliziertes Zusammenspiel zurückzuführen ist, und zwar zwischen dem Pulsarwind, einem Strom hochenergetischer Teilchen, die vom Pulsar weggeblasen werden, und der Materie, die auf den Pulsar zuströmt“, erläutert Coti Zelati, der auch zum INAF gehört.

Im passiven Modus wird die zum Pulsar fließende Materie in einem schmalen Strom rechtwinklig zur Scheibe ausgestoßen. Nach und nach sammelt sich diese Materie immer mehr in der Nähe des Pulsars an und wird dabei vom Wind des pulsierenden Sterns getroffen, wodurch sich die Materie aufheizt. Das System befindet sich nun in einem aktiven Modus und leuchtet hell im Röntgen-, Ultraviolett- und sichtbaren Licht. Schließlich werden Teile dieser heißen Materie durch den Pulsar über den Strom entfernt. Mit weniger heißer Materie in der Scheibe leuchtet das System schwächer und schaltet zurück in den passiven Modus.

Obwohl diese Entdeckung das Rätsel um das seltsame Verhalten von J1023 aufgelöst hat, haben Astronom*innen noch viel aus der Erforschung dieses einzigartigen Systems zu lernen. Die Teleskope der ESO werden ihnen auch weiterhin bei der Beobachtung dieses seltsamen Pulsars helfen. Insbesondere das Extremely Large Telescope (ELT) der ESO, das derzeit in Chile gebaut wird, gewährt einen noch nie dagewesenen Blick auf die Mechanismen von J1023. „Das ELT wird uns wichtige Erkenntnisse darüber liefern, wie die Menge, die Verteilung, die Dynamik und die Energetik der einströmenden Materie um den Pulsar durch das Umschaltverhalten beeinflusst werden“, schließt Sergio Campana, Forschungsdirektor am INAF-Observatorium Brera und Mitautor der Studie.

Weitere Informationen
Die hier vorgestellten Forschungsergebnisse von M. C. Baglio et al. erscheinen demnächst in der Fachzeitschrift Astronomy & Astrophysics (doi: 10.1051/0004-6361/202346418).

Die beteiligten Wissenschaftler*innen sind M. C. Baglio (Center for Astro, Particle, and Planetary Physics, New York University Abu Dhabi, UAE [NYU Abu Dhabi]; INAF – Osservatorio Astronomico di Brera, Merate, Italien [INAF Brera]), F. Coti Zelati (Institut für Weltraumwissenschaften, Campus UAB, Barcelona, Spanien [ICE-CSIC]; Institut d’Estudis Espacials de Catalunya (IEEC), Barcelona, Spanien [IEEC]; INAF Brera), S. Campana (INAF Brera), G. Busquet (Departament de Física Quànticai Astrofísica, Universitat de Barcelona, Spanien; Institut de Ciències del Cosmos, Universitat de Barcelona, Spanien; IEEC), P. D’Avanzo (INAF Brera), S. Giarratana (INAF – Istituto di Radioastronomia, Bologna, Italien [INAF Bologna]; Fakultät für Physik und Astronomie, Universität Bologna, Italien [Bologna]), M. Giroletti (INAF Bologna), F. Ambrosino (INAF – Osservatorio Astronomico di Roma, Rom, Italien [INAF Roma]); INAF – Istituto Astrofisica Planetologia Spaziali, Rom, Italien; Sapienza Università di Roma, Rom, Italien), S. Crespi (NYU Abu Dhabi), A. Miraval Zanon (Agenzia Spaziale Italiana, Rom, Italien; INAF Roma), X. Hou (Yunnan Sternwarten, Chinesische Akademie der Wissenschaften, Kunming, China; Schlüssellabor für die Struktur und Entwicklung von Himmelsobjekten, Chinesische Akademie der Wissenschaften, Kunming, China), D. Li (Nationale Astronomische Sternwarten, Chinesische Akademie der Wissenschaften, Peking, China; Universität der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, Peking, China; Forschungszentrum für intelligente Computerplattformen, Zhejiang Laboratory, Hangzhou, China), J. Li (CAS Schlüssellabor für die Erforschung von Galaxien und Kosmologie, Fachbereich Astronomie, Universität für Wissenschaft und Technologie von China, Hefei, China; Fachbereich Astronomie und Weltraumwissenschaften, Universität für Wissenschaft und Technologie von China, Hefei, China), P. Wang (Institut für Grenzgebiete der Astronomie und Astrophysik, Beijing Normal University, Beijing, China), D. M. Russell (NYU Abu Dhabi), D. F. Torres (INAF Brera; IEEC; Institució Catalana de Recercai Estudis Avançats, Barcelona, Spanien), K. Alabarta (NYU Abu Dhabi), P. Casella (INAF Roma), S. Covino (INAF Brera), D. M. Bramich (NYU Abu Dhabi; Abteilung für Ingenieurwesen, New York University Abu Dhabi, VAE), D. de Martino (INAF – Osservatorio Astronomico di Capodimonte, Neapel, Italien), M. Méndez (Kapteyn Astronomical Institute, Universität Groningen, Niederlande), S. E. Motta (INAF Brera), A. Papitto (INAF Roma), P. Saikia (NYU Abu Dhabi), und F. Vincentelli (Instituto de Astrofísica de Canarias, Teneriffa, Spanien; Departamento de Astrofísica, Universidad de La Laguna, Teneriffa, Spanien).

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.

Das Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) ist eine internationale astronomische Einrichtung, die gemeinsam von der ESO, der US-amerikanischen National Science Foundation (NSF) der USA und den japanischen National Institutes of Natural Sciences (NINS) in Kooperation mit der Republik Chile betrieben wird. Getragen wird ALMA von der ESO im Namen ihrer Mitgliedsländer, von der NSF in Zusammenarbeit mit dem kanadischen National Research Council (NRC), dem National Science and Technology Council (NSTC) und NINS in Kooperation mit der Academia Sinica (AS) in Taiwan sowie dem Korea Astronomy and Space Science Institute (KASI). Bei Entwicklung, Aufbau und Betrieb ist die ESO federführend für den europäischen Beitrag, das National Radio Astronomy Observatory (NRAO), das seinerseits von Associated Universities, Inc. (AUI) betrieben wird, für den nordamerikanischen Beitrag und das National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ) für den ostasiatischen Beitrag. Dem Joint ALMA Observatory (JAO) obliegt die übergreifende Projektleitung für den Aufbau, die Inbetriebnahme und den Beobachtungsbetrieb von ALMA.

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/eso2315/eso2315a.pdf

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Quelle: Max-Planck-Institut für Radioastronomie 29. Juni 2023.

Mit anderen internationalen Kollaborationen haben sie unabhängig voneinander Beweise für Gravitationswellen bei extrem niedrigen Frequenzen gefunden, die von Paaren extrem massereicher Schwarzer Löcher in den Zentren verschmelzender Galaxien stammen könnten. Die Ergebnisse sind ein entscheidender Meilenstein zur Erschließung eines neuen, astrophysikalisch bedeutenden Bereichs des Gravitationswellen-Spektrums.

In einer Reihe von Artikeln, die diese Woche in der Fachzeitschrift „Astronomy and Astrophysics“ veröffentlicht wurden, berichten Wissenschaftler:innen des European Pulsar Timing Array (EPTA) in Zusammenarbeit mit indischen und japanischen Kolleg:innen des Indian Pulsar Timing Array (InPTA) über die Ergebnisse von Messungen, die über einen Zeitraum von 25 Jahren durchgeführt wurden. Die Daten lassen auf neue Erkenntnisse in Bezug auf die Entstehung und Entwicklung unseres Universums und seiner Galaxien hoffen.

EPTA ist ein Zusammenschluss von Forschenden aus mehr als zehn Institutionen in ganz Europa und bringt Astronom:innen und theoretische Physiker:innen zusammen, welche die Beobachtungen der extrem regelmäßigen Pulse von einer besonderen Art erloschener Sternen, den so genannten Pulsaren, nutzen, um einen Gravitationswellen-Detektor von der Größe einer Galaxie zu aufzuspannen.

Ein gigantischer Gravitationswellen-Detektor
„Pulsare sind hervorragende natürliche Uhren. Wir nutzen die unglaubliche Regelmäßigkeit ihrer Signale, um nach winzigen Veränderungen in ihrem Ticken zu suchen und so die minimalen Dehnungen und Stauchungen der Raumzeit durch Gravitationswellen aus dem fernen Universum nachzuweisen“, erklärt Dr. David Champion, leitender Wissenschaftler am MPIfR in Bonn.

Dieser riesige Gravitationswellen-Detektor, der sich von der Erde bis zu 25 ausgewählten Pulsaren in der gesamten Galaxis erstreckt, ermöglicht die Untersuchung von Gravitationswellen-Frequenzen, die weit unter denen in anderen Experimenten gemessenen liegen. Die Beobachtungen werfen Licht auf das Gravitationswellen-Universum im Nanohertz-Bereich und enthüllen einzigartige Quellen und neue Phänomene.

„Im Zentrum von Galaxien lauern supermassereiche Schwarze Löcher, die mehrere Millionen Mal schwerer sind als die Sonne. Wenn die Pulse der Pulsare zur Erde gelangen, werden sie von den schwachen, weit entfernten Echos der Gravitationswellen geprägt, die von diesen monströsen Schwarzen Löchern ausgesendet werden“, sagt Dr. Aditya Parthasarathy, Forscher am MPIfR. Diese Echos enthalten Informationen über die kosmische Population supermassereicher binärer Schwarzer Löcher, die sich bei der Verschmelzung von Galaxien bilden und den Beginn einer neuen Reise ins Universum markieren.

Ein einzigartiger Datensatz durch koordinierte Zusammenarbeit
Diese Ergebnisse basieren auf jahrzehntelangen koordinierten Beobachtungskampagnen mit den fünf größten Radioteleskopen in Europa: dem 100-m-Radioteleskop Effelsberg in Deutschland, dem Lovell-Teleskop in Großbritannien, dem Nançay-Radioteleskop in Frankreich, dem Sardinia-Radioteleskop in Italien und dem Westerbork-Radiosyntheseteleskop in den Niederlanden.

Prof. Michael Kramer, Direktor am MPIfR in Bonn, betont: „Die Daten des Effelsberger Teleskops reichen mehr als 25 Jahre zurück. Das ist wichtig, denn es macht das EPTA einzigartig empfindlich für die niedrigsten untersuchten Frequenzen.“

„Einmal im Monat“, fügt Dr. Kuo Liu vom MPIfR in Bonn hinzu, „nehmen die europäischen Teleskope als Large European Array for Pulsars außerdem gemeinsam Daten auf, um eine zusätzliche Empfindlichkeit zu erreichen, die mit der des größten Radioteleskops der Erde vergleichbar ist.“ Diese Beobachtungen wurden auch durch Daten des InPTA in Indien ergänzt, was zur Entwicklung eines einzigartigen empfindlichen Datensatzes geführt hat.

Dr. Yajun Gou, Forscherin am MPIfR, erklärt die Bedeutung: „Unsere Teleskope haben die Pulsare sehr oft und über einen sehr langen Zeitraum hinweg beobachtet. Wir können Frequenzen der Gravitationswellen aufspüren, die so langsam sind wie eine Schwingung alle 30 Jahre, was die Empfindlichkeit gegenüber Doppelsternsystemen mit Schwarzen Löchern mit Umlaufzeiten von bis zu 50 Jahren verbessert.“ Im Gegensatz dazu ermöglicht die hohe zeitliche Dichte der Daten die Untersuchung von Frequenzen, die bis zu 100 Schwingungen pro Monat betragen. Doktorand Jiwoon Jang übersetzt: „Wir können Doppelsystem von Schwarzen Löchern mit Umlaufzeiten von wenigen Jahren bis zu Monaten herunter untersuchen.“

Die Bekanntgabe der EPTA-Ergebnisse erfolgt in Abstimmung mit ähnlichen Veröffentlichungen anderer Kollaborationen weltweit, nämlich der in Parkes ansässigen australischen, der chinesischen und der nordamerikanischen Pulsar Timing Array (PTA)-Kollaborationen, abgekürzt PPTA, CPTA bzw. NANOGrav. Die Astronomen sind sich sicher, dass es sich bei dem, was sie sehen, um Signaturen von Gravitationswellen handelt, da ihre Ergebnisse mit ähnlichen Daten und Ergebnissen in allen PTA-Kollaborationen übereinstimmen und von diesen unterstützt werden.

„Die Analyse der Daten von Pulsar Timing Arrays wird dadurch erschwert, dass PTAs astrophysikalische Objekte als Detektoren verwenden“, erläutert Jonathan Gair, Gruppenleiter in der Abteilung „Astrophysikalische und Kosmologische Relativitätstheorie“ am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut) in Potsdam und Mitautor der Veröffentlichung. „Es gibt viele verschiedene Rauschquellen, die die Pulsare selbst mitbringen und die bei der Suche nach der Signatur der Gravitationswellen berücksichtigt werden müssen. Das Signal selbst ist darüber hinaus zufällig, so dass es wie Rauschen aussieht.“

Die heute vorgestellte Analyse der EPTA-Daten entspricht den Erwartungen von Astrophysikern. Der Goldstandard in der Physik für die Entdeckung eines neuen Phänomens ist jedoch, dass das Ergebnis des Experiments mit einer Wahrscheinlichkeit von weniger als einem Mal in einer Million auftritt. Das von EPTA – wie auch von den anderen internationalen Kollaborationen – berichtete Ergebnis erfüllt dieses Kriterium noch nicht.

Wissenschaftler der meisten führenden PTAs führen jedoch ihre Datensätze unter der Schirmherrschaft des International Pulsar Timing Array zusammen. Ziel ist es, die aktuellen Datensätze zu erweitern, indem ein Array von über 100 Pulsaren genutzt wird, die mit dreizehn Radioteleskopen beobachtet wurden, und mehr als 1000 Beobachtungen für jeden Pulsar bündeln. Diese Daten sollten es den Forschenden ermöglichen, einen unwiderlegbaren Beweis für das Vorhandensein eines Gravitationswellen-Hintergrunds bei Nanohertz-Frequenzen zu erbringen.

Weitere Informationen:

Pulsare
Pulsare sind die Überreste massereicher Sternexplosionen, bei denen der Kern als Neutronenstern überlebt hat, sehr kompakte Objekte von 1,5 Sonnenmassen innerhalb eines Radius von 13 km. Die schnellsten Pulsare rotieren mit einer Geschwindigkeit von 700 Umdrehungen pro Sekunde und senden von ihren Magnetpolen einen Strahl aus. Aus der Sicht eines Beobachters verhalten sie sich wie kosmische Leuchttürme. Mit einem Radioteleskop werden sie als eine Reihe von Impulsen oder „Ticks“ wahrgenommen, die in sehr regelmäßigen Abständen eintreffen und ein natürliches und präzises uhrähnliches Signal darstellen. Es wird erwartet, dass ein solches Uhrensignal durch niederfrequente Gravitationswellen gestört wird.

Pulsar-Timing-Array (PTA)
Ein Pulsar-Timing-Array ist ein Netzwerk von Pulsaren, die mit einem oder idealerweise mehreren Radioteleskopen beobachtet werden, um nach Gravitationswellen im Nanohertz-Bereich (d. h. mit Wellenlängen in der Größenordnung von mehreren Lichtjahren) zu suchen und diese zu entdecken. Der PTA besteht aus einem Ensemble von Millisekunden-Pulsaren, die in verschiedenen Richtungen von der Erde aus beobachtet werden. Aufgrund der Präzision ihrer Pulsperioden und ihrer Verteilung am Himmel stellen sie einen Gravitationswellendetektor dar, der große Entfernungen in der Galaxis abdeckt. Die Analyse der Pulsankunftszeiten bei den beobachteten Pulsaren erlaubt nach Korrektur einer ganzen Reihe von Effekten den Rückschluss auf Gravitationswellen im Nanohertz-Bereich.

Die Verwendung dieser Pulsare als galaktischer Gravitationswellendetektor wurde von M. Sazhin (1978, Astronomisches Institut Sternberg, Moskau) und S. Detweiler (1979, Universität Yale) vorgeschlagen. Sazhin schlug vor, dass ultralange Gravitationswellen durch ihre Störung bei der Ausbreitung elektromagnetischer Pulse nachgewiesen werden könnten. Detweiler zeigte, dass man anhand der veröffentlichten Pulsardaten eine Amplitudenobergrenze von 10-11 für die Energiedichte eines stochastischen Gravitationswellenhintergrunds mit Perioden von 1 Jahr festlegen kann.

Einige Jahre später führten Hellings und Downs (1983, Jet Propulsion Laboratory) zum ersten Mal das Konzept des Pulsar-Timing-Array ein und zeigten, dass man, wenn man in der Lage ist, ein Netzwerk solcher stabilen Pulsare mit hoher Präzision zu timen, die Hintergrundemission einer Population kompakter binärer Quellen messen und insbesondere die quadrupolare Natur des Gravitationswellensignals aus der Winkelkorrelation zwischen Pulsarpaaren ableiten kann, d. h. aus der Art und Weise, wie die Pulsare je nach ihrer relativen Position am Himmel beeinflusst werden. Dies ist das Prinzip des Nachweises ultraniedriger Gravitationswellen mit dem, was wir heute ein Pulsar-Timing-Array (PTA) nennen.

Als die Technologie begann, solch präzise Messungen zu ermöglichen, die typischerweise eine Datierung der Pulsationsankunftszeit (die „Ticks“) besser als im Mikrosekundenbereich erreichen, begannen mehrere Gruppen in der Welt, die schnellst-rotierenden und stabilsten bekannten Millisekunden-Pulsare zu beobachten.

Das Europäische Pulsar Timing Array (EPTA)
Europa hat bei diesem Forschungsprogramm Pionierarbeit geleistet. Als Erbe des bereits bestehenden „European Pulsar Network“ (EPN) und der „PULSE: European Pulsar Research“-Zusammenarbeit, die 2005 mit dem Descartes-Preis der Europäischen Kommission ausgezeichnet wurde, wurde 2006 offiziell das European Pulsar Timing Array (EPTA) ins Leben gerufen, das die „Pulsar“-Teams an den größten Radioteleskopen des Kontinents vereint: das 100-m-Radioteleskop in Effelsberg (Deutschland), das Westerbork Synthesis Radio Telescope (Niederlande), das Lovell Telescope am Jodrell Bank Observatory (Großbritannien), das Sardinia Radio Telescope (Italien) und das Nançay Radio Telescope (Frankreich). An jedem dieser Orte hatten die lokalen Gruppen hochmoderne Instrumente und Datenpipelines entwickelt, die in der Lage waren, Pulsare korrekt zu messen und ein genaues Timing durchzuführen. In den folgenden Jahren kamen weitere Gruppen hinzu, die ebenfalls ihr theoretisches Fachwissen und ihre Fähigkeiten bei der Analyse von Gravitationswellendaten einbrachten: die Universitäten in Birmingham, Cambridge und Mailand sowie das Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut) und das Observatorium in Paris.

Das EPTA hat seine Möglichkeiten im Jahr 2008 dank des vom ERC finanzierten „Large European Array for Pulsars“ (LEAP) erheblich erweitert. Mit monatlichen Beobachtungen nutzt das LEAP die kohärent zusammengefügte Empfindlichkeit der EPTA-Teleskope, um eine Schüssel mit einem effektiven Durchmesser von bis zu 200 m zu bilden. In 25 Jahren Beobachtungszeit haben diese Instrumente etwa 60.000 Messungen für die 25 stabilsten Millisekundenpulsare gesammelt, die eine effektive Kadenz von einigen Tagen ermöglichen und für die meisten von ihnen eine Zeitgenauigkeit von mehr als einer Mikrosekunde erreichen

Diese Zahlen definieren die Empfindlichkeit und den Frequenzbereich des Arrays: einige 10-16 in der Gravitationsenergiedichte im Durchschnitt über den Himmel, zwischen 1,3 nHz und 5,8 μHz in der Frequenz, wobei die lokale Empfindlichkeit in einer Region der Himmelskugel von der tatsächlichen Verteilung und Stabilität der Pulsare im Array abhängt.

Large European Array for Pulsars (LEAP)
Dank des vom ERC finanzierten „Large European Array for Pulsars“ (LEAP-Projekt unter der Leitung von Prof. Michael Kramer) hat das EPTA seine Kapazitäten 2008 erheblich erweitert. Mit monatlichen Beobachtungen nutzt das LEAP die kohärent zusammenzugefügte Empfindlichkeit der EPTA-Teleskope, um ein virtuelles Teleskop mit einem effektiven Durchmesser von bis zu 200 m zu bilden. Im Gegensatz zu radioastronomischen Interferometern (Very Long Baseline Interferometry, VLBI) kommt es hier nicht auf die Entfernung zwischen den einzelnen Teleskopen an, sondern auf deren kumulative Sammelfläche zum Nachweis der schwachen Radiostrahlung von Pulsaren. LEAP stellt für die EPTA-Teleskope außerdem eine neue Generation von Datenerfassungsgeräten zur Verfügung, die als Grundlage für die Veröffentlichung maßgeblich zur Anwendung gekommen sind.

Indian Pulsar Timing Array (InPTA)
Das Indian Pulsar Timing Array (InPTA) nutzt das Giant Metrewave Radio Telescope (GMRT) bei Pune als Schlüsselinstrument für die indischen Beobachtungen. Diese InPTA-Beobachtungen erweitern den Bereich der Radiofrequenzen, die zur Beobachtung von Pulsaren verwendet werden, auf viel niedrigere Frequenzen als die, die normalerweise vom EPTA verwendet werden. Durch die Kombination der Datensätze sind EPTA und InPTA in der Lage, das durch das interstellare Medium verursachte Zeitrauschen erfolgreich abzuschwächen.

Am InPTA-Experiment sind Forscher des NCRA (Pune), des TIFR (Mumbai), des IIT (Roorkee), des IISER (Bhopal), des IIT (Hyderabad), des IMSc (Chennai) und des RRI (Bengaluru) zusammen mit ihren Kollegen von der Universität Kumamoto (Japan) beteiligt.

NanoGRAV
Das „North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves“ umfasst Millisekunden-Beobachtungen von Pulsaren mit den Radioteleskopen Green Bank und Arecibo (das 300-m-Teleskop von Arecibo ist ab 2020 nicht mehr in Betrieb) sowie mit dem VLA und dem CHIME-Radioteleskop in Kanada.

Parkes Pulsar Timing Array (PPTA)
Das Parkes Pulsar Timing Array (PPTA) war die erste offizielle Kollaboration, die sich der Suche nach Gravitationswellensignalen im Nano-Hertz-Bereich widmete. Es nutzt seit 2005 Beobachtungen mit dem 64-m-Radioteleskop bei Parkes in New South Wales.

Chinese Pulsar Timing Array (CPTA)
Das Chinese Pulsar Timing Array (CPTA) ist das jüngste Mitglied der PTA-Kollaborationsfamilie. Das CPTA kann die Beobachtungen des neuen FAST-Teleskops nutzen, das 2020 seinen vollen Betrieb aufgenommen hat.

Internationales Pulsar-Timing-Array (IPTA)
Das IPTA entstand 2009 aus der Zusammenarbeit der drei damals bestehenden Konsortien: EPTA in Europa, NANOGrav in Nordamerika und PPTA in Australien. Kürzlich kam die indische Kooperation InPTA hinzu. Zwei kombinierte Datensätze wurden in den Jahren 2016 und 2019 veröffentlicht. Sie dienten in erster Linie dazu, frühere, von den einzelnen Gruppen individuell ermittelte Nachweisgrenzen zu bestätigen, instrumentelle Systematiken zu verfolgen und wissenschaftliche Ergebnisse für die Planetenephemeriden des Sonnensystems und die Definition einer unabhängigen Pulsarzeitstandardreferenz zu erzielen. Das IPTA arbeitet jetzt in vollem Umfang zusammen, um unsere neuesten Daten zu kombinieren und gemeinsam zu analysieren.

Die Verwirklichung eines PTA
Es gibt eine Reihe von Vordergrundquellen von Signalen, die charakterisiert und korrekt modelliert werden müssen, damit sie bei der Analyse von Gravitationswellensignal unterschieden werden können. Diese Signale sind vom unterschiedlicher Natur. Ihr Ursprung kann instrumentell (z. B. Referenzuhr, Instabilität der Empfängersysteme, Kalibrierungsunsicherheiten), astrophysikalisch (z. B. im Zusammenhang mit der Instabilität der Radioemission in der Pulsarmagnetosphäre oder mit Schwankungen der Sternrotation) oder durch den Weg des Radiosignals durch das interstellare Medium (mit Dispersionsverzögerungen und Streuung) bedingt sein. Einige dieser Störungen können in der Tat die Gravitationsemissionssignatur teilweise nachahmen und/oder verbergen, und man muss sie vor jeder weiteren Analyse genau charakterisieren und modellieren.
Schließlich spielen die planetarischen Ephemeriden des Sonnensystems (SSE), die die Position der Planeten um die Sonne in Abhängigkeit von der Zeit beschreiben, eine entscheidende Rolle. Das EPTA verwendet den Schwerpunkt des Sonnensystems (SSB) als gemeinsamen Bezugsrahmen, auf den wir die Radiobeobachtungen (Zeit der Pulsankünfte) aller Radioteleskope reduzieren. Jede Ungenauigkeit in den relativen Positionen, Geschwindigkeiten oder Massen der Planeten kann zu nicht berücksichtigten Verzögerungen führen und sich auf die Zeitmessungen aller Pulsare des Arrays auswirken, wodurch eine falsche räumliche Korrelation entsteht, die die Geometrie einer GW-Hintergrundstrahlung heimtückisch nachahmt. Um dies zu vermeiden, vergleicht man sorgfältig die Ergebnisse verschiedener SSE-Lösungen, z. B. die des Jet Propulsion Laboratory (Folkner & Park 2018) oder des Pariser Observatoriums (INPOP – Fienga et al 2019).

Gravitationswellen
Gravitationswellen sind Deformationen der Raumzeit, die sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten. Sie wurden bereits 1915 von Einstein mit der Allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagt, Im Jahre 1982 konnten diese erstmals durch den Energieverlust eines nahen Paares von Neutronensternen nachgewiesen und 2015 direkt mit dem bodengestützten Laserinterferometer LIGO gemessen werden.

Die europäische Gemeinschaft bereitet eine neue Weltraummission, LISA, vor (die endgültige Verabschiedung wird für Anfang 2024 erwartet), die nach ihrem Start im Jahr 2035 das Gravitationswellenspektrum bei niedrigen Frequenzen (mHz) untersuchen und die Population kompakter binärer Weißer Zwerge und Neutronensterne in unserer Galaxie, die sich gegenseitig umkreisen, sowie die Verschmelzung massereicher (etwa eine Million Sonnenmassen) Schwarzer Löcher im Universum untersuchen soll. LISA verwendet dasselbe Konzept wie die bodengestützten Laserinterferometer, allerdings mit einer Konstellation von drei Satelliten, die im Abstand von 2,5 Millionen km um die Sonne kreisen und das Laserlicht austauschen. Die Frequenzen von Gravitationswellen, die mit PTAs gesehen werden, sind damit nochmals niedriger als die von LISA.

MPIfR-Koautoren
J. Antoniadis, A.-S. Bak Nielsen, D. J. Champion, G. Desvignes, E. Graikou, Y. J. Guo, H. Hu, J. Jang, J. Jawor, A. Jessner, R. Karuppusamy, M. Kramer, K. Lackeos, K. J. Lee, K. Liu, R. A. Main, A. Parthasarathy, V. Venkatraman Krishnan und J. P. W. Verbiest.

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• Gravitationswellen

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Quellen: DESY, Universität Münster (WWU) 29. Juni 2023.

29. Juni 2023 – Astrophysikerinnen und Astrophysiker haben erstmals überzeugende Hinweise auf die Existenz von Gravitationswellen gefunden, die mit Perioden von Jahren bis Jahrzehnten schwingen. Dies geht aus fünf Artikeln hervor, die am 29. Juni in der Zeitschrift „The Astrophysical Journal Letters“ veröffentlicht wurden. Dazu werteten die Forscherinnen und Forscher Daten aus 15 Jahren aus, die das North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves (NANOGrav) gesammelt hat. An einem der Forschungsartikel sind Kai Schmitz von der Universität Münster und Andrea Mitridate von DESY in Hamburg beteiligt. Diese Publikation beschäftigt sich mit der Hypothese, dass NANOGrav Gravitationswellen sieht, die im Urknall erzeugt wurden. Am NANOGrav-Konsortium sind neben dem Team der Universität Münster und von DESY auch Forschende des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik in Hannover sowie von der Universität Mainz beteiligt.

Dies ist ein entscheidender Beleg für Gravitationswellen bei sehr niedrigen Frequenzen“, betont Stephen Taylor von der Vanderbilt University (USA), der die Suche mit geleitet hat und derzeit der Kollaboration vorsitzt. „Nach jahrelanger Arbeit öffnet NANOGrav ein neues Fenster zum Gravitationswellen-Universum.“

Das NANOGrav-Konsortium, ein Zusammenschluss von mehr als 190 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern, beobachtet Pulsare in unserer Galaxie mit großen Radioteleskopen und sucht dabei nach Gravitationswellen. Ein Pulsar ist der extrem dichte Überrest des Kerns eines massereichen Sterns nach dessen Lebensende in einer Supernova-Explosion. Pulsare drehen sich schnell und senden Strahlen von Radiowellen durch den Weltraum, sodass sie von der Erde aus gesehen zu pulsieren scheinen. „Wenn der Pulsar richtig orientiert ist, lässt sich dieses sehr regelmäßige Signal von der Erde aus messen. Man kann den Effekt mit dem Lichtkegel eines Leuchtturms vergleichen, der in einem bestimmten Takt aufblitzt – nur dass Pulsare viel schneller blinken; im Falle der von NANOGrav beobachteten Pulsare sogar im Millisekundentakt“, veranschaulicht Schmitz, Juniorprofessor am Institut für Theoretische Physik der Universität Münster, der dem NANOGrav-Konsortium angehört.

Albert Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie sagt genau voraus, wie Gravitationswellen Pulsarsignale beeinflussen sollten. Durch die Dehnung und Stauchung der Raumstruktur beeinflussen die Gravitationswellen die Ankunftszeit jedes Pulses auf eine kleine, aber vorhersehbare Weise, indem sie einige Pulse verzögern und andere früher die Erde erreichen lassen. Abweichungen nach einem bestimmten Muster, das sich auf langsam wogende (niederfrequente) Gravitationswellen zurückführen lässt, zeichnen sich nun in den Daten von 68 beobachteten Pulsaren ab, die das Konsortium in 15 Jahren Forschungsarbeit zusammengetragen hat. Frühere Ergebnisse von NANOGrav hatten zwar bereits ein rätselhaftes Signal in den gemessenen Zeitreihen enthüllt, das allen beobachteten Pulsaren gemeinsam war. Es war aber zu schwach, um daraus Rückschlüsse über seinen Ursprung zu ziehen.

Der jüngste Datensatz von NANOGrav zeigt nun zunehmend klare Hinweise auf Gravitationswellen mit Perioden von Jahren bis Jahrzehnten. Diese Wellen könnten von umkreisenden Paaren der massereichsten Schwarzen Löcher im gesamten Universum ausgehen: Sie sind Milliarden Mal massereicher als die Sonne und größer als der Abstand zwischen Erde und Sonne. Aus der Überlagerung der Signale vieler einzelner Schwarzlochpaare ergibt sich ein diffuses Gravitationswellen-Hintergrundrauschen. Zukünftige Studien dieses Signals werden ein neues Fenster zum Gravitationswellen-Universum öffnen und unter anderem Einblicke in die Verschmelzung gigantischer Schwarzer Löcher in fernen Galaxien gewähren.

Zum Hintergrund: Im Gegensatz zu den niederfrequenten Gravitationswellen, die nur mit Pulsaren detektiert werden können, können flüchtige hochfrequente Gravitationswellen von bodengestützten Instrumenten wie LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory) beobachtet werden. Für die erste direkte Messung von hochfrequenten Gravitationswellen mit dem LIGO-Detektor im Jahr 2015 erhielten Rainer Weiss, Barry Barish und Kip Thorne 2017 den Nobelpreis für Physik. Die neuen NANOGrav-Ergebnisse erschließen nun ein neues Frequenzband im Gravitationswellenspektrum, das in Relation zum LIGO-Frequenzband steht, wie etwa langwellige Radiowellen im elektromagnetischen Spektrum in Relation zu sichtbarem Licht stehen. Zudem ist NANOGrav keinen flüchtigen Gravitationswellen auf der Spur, sondern einem kontinuierlichen Hintergrundrauschen, das die Erde permanent und aus allen Richtungen erreicht.

Die Veröffentlichung der Ergebnisse von NANOGrav ist mit Gravitationswellen-Forschungsteams aus der ganzen Welt abgestimmt, die am 29. Juni ebenfalls jeweils neue Ergebnisse präsentieren. Neben NANOGrav sind dies weitere sogenannte Pulsar-Timing-Array-Konsortien aus Australien, China, Europa, und Indien, die zusammen im International Pulsar Timing Array (IPTA) organisiert sind.

Beitrag von Kai Schmitz und seiner Arbeitsgruppe (Universität Münster) und Andrea Mitridate (DESY) zu den NANOGrav-Veröffentlichungen vom 29. Juni
Das von NANOGrav gesehene Signal könnte auch einen kosmologischen Beitrag in Form von Gravitationswellen aus dem frühen Universum erhalten. Diese Hypothese wird in einer der fünf nun veröffentlichten Studien im Detail untersucht, die Kai Schmitz mit Andrea Mitridate, Postdoktorand bei DESY, leitete. „In unserer Arbeit“, führt Andrea Mitridate aus, „nehmen wir die Möglichkeit unter die Lupe, dass NANOGrav im Urknall erzeugte Gravitationswellen sieht – anstelle eines Signals astrophysikalischen Ursprungs, das von gigantischen Schwarzen Löchern ausgesendet wird, die einander im Zentrum von Galaxien umkreisen.“ Ein solcher Ur-Gravitationswellenhintergrund sollte als Gravitationspendant zum kosmischen Mikrowellenhintergrund – dem in den 1960er Jahren entdeckten „Nachglühen“ des Urknalls – angesehen werden.

„Viele Theorien zu neuer Physik jenseits des Standardmodells der Teilchenphysik sagen die Entstehung von Gravitationswellen im Urknall voraus, darunter Phänomene wie kosmische Inflation, kosmologische Phasenübergänge oder sogenannte kosmische Strings“, erklärt Kai Schmitz. Andrea Mitridate ergänzt: „In diesem Sinne ermöglichen uns die NANOGrav-Daten, Modelle neuer Physik bei Energien zu untersuchen, die in Laborexperimenten auf der Erde unerreichbar sind.“ Es bedarf jedoch weiterer Untersuchungen, um festzustellen, ob sich letztlich die astrophysikalische Interpretation in Form von Doppelsystemen aus extrem massereichen Schwarzen Löchern oder die kosmologische Interpretation in Form von Gravitationswellen aus dem Urknall durchsetzen wird.

Forschungsförderung
Die Arbeit von NANOGrav erhielt finanzielle Unterstützung durch das Physics Frontiers Center der US-amerikanischen National Science Foundation (NSF) (Preisnummer 1430284 und 2020265), die Gordon and Betty Moore Foundation, die NSF (AccelNet-Preisnummer 2114721), ein Discovery Grant des Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada (NSERC) und das Canadian Institute for Advanced Research (CIFAR). Das Arecibo-Observatorium ist eine Einrichtung der NSF. Sie wird im Rahmen einer Kooperationsvereinbarung (#AST-1744119) von der University of Central Florida (UCF) in Zusammenarbeit mit der Universidad Ana G. Méndez (UAGM) und Yang Enterprises (YEI), Inc, betrieben. Das Green Bank Observatory und das National Radio Astronomy Observatory sind Einrichtungen der NSF, die im Rahmen von Kooperationsvereinbarungen durch Associated Universities, Inc, betrieben werden.

Originalveröffentlichung mit Beteiligung der Arbeitsgruppen von Universität Münster und DESY
Adeela Afzal et al./ The NANOGrav Collaboration (2023): The NANOGrav 15-year Data Set: Search for Signals from New Physics. The Astrophysical Journal Letters, DOI: 10.3847/2041-8213/acdc91, https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/acdc91, pdf: https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/acdc91/pdf

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• Gravitationswellen

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Quelle: AIP 15. Juni 2023.

15. Juni 2023 – Der neue Weiße-Zwerg-Pulsar, ein extrem enges Doppelsternsystem aus einem Weißen und einem Roten Zwergstern, die gemeinsam in die Sonne passen würden, ist erst das zweite bekannte seiner Art.

Weiße Zwerge sind extrem verdichtete Sternreste mit der Masse unserer Sonne aber der geringen Größe unseres Planeten Erde. Sie entstehen, wenn ein Stern mit geringer Masse seinen gesamten Brennstoff verbrannt hat, seine äußeren Schichten verliert und sein Inneres stark kontrahiert. Sie werden auch als „stellare Fossilien“ bezeichnet und bieten Einblicke in verschiedene Aspekte der Sternentwicklung.

Pulsare hingegen sind seit den 1960er Jahren bekannt und man kennt mehr als 3000 davon. Dabei handelt es sich um schnell rotierende, stark magnetische Neutronensterne, in denen geladene Teilchen durch ultrastarke elektrische Felder aus der Oberfläche gerissen und auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden. In Folge dessen senden sie Strahlung, also Licht, aus, und das vom Radio- bis in den Röntgen- oder sogar Gammabereich. Wegen der schnellen Rotation der Sterne treffen jeweils kurze Pulse der Strahlung an der Erde ein, womit sich die Namensgebung – Pulsar – begründet.

Zur großen Überraschung der wissenschaftlichen Gemeinschaft wurde im Jahr 2016 erstmals das Pulsarphänomen auf einem Weißen Zwerg beobachtet. Die Überraschung lag darin, dass in diesem Stern, AR Scorpii, weder die extrem schnelle Rotation noch die starken elektrischen Felder der eigentlichen Pulsare vorhanden waren. Der Weiße Zwergstern jedoch war in einem sehr engen Doppelsternsystem anzutreffen und wurde von seinem unmittelbaren Nachbarn, einem sonnenähnlichen Roten Zwergstern, durch Injektion in sein Magnetfeld mit Teilchen versorgt. Dadurch wird das Pulsarphänomen von außen entfacht und der rote Begleitstern wie mit einem Stroboskop bestrahlt, so dass das gesamte System in regelmäßigen Abständen dramatisch heller und schwächer wird. Die beiden Sterne, der Weiße und der Rote Zwerg, sind so eng benachbart, dass sie in unsere Sonne hineinpassen würden.

Entscheidend ist das Vorhandensein eines starken Magnetfeldes, dessen Ursache Astrophysikerinnen und Astrophysiker jedoch nicht kennen. Eine Schlüsseltheorie, die die starken Magnetfelder erklärt, ist das „Dynamomodell“ – es besagt, dass Weiße Zwerge Dynamos, elektrische Generatoren, in ihrem Kern haben, so wie die Erde, nur viel stärker. Um diese Theorie zu überprüfen, mussten Forschende jedoch nach anderen Weißen-Zwerg-Pulsaren suchen, um zu sehen, ob ihre Vorhersagen zutreffen.

In zwei neuen Studien, die parallel in Nature Astronomy und Astronomy & Astrophysics veröffentlicht wurden, beschreibt ein internationales Team unter Beteiligung des AIP den neu entdeckten Weißen-Zwerg-Pulsar J1912-4410 (eRASSU J191213.9-441044). Er ist 773 Lichtjahre von der Erde entfernt und dreht sich in fünf Minuten einmal um die eigene Achse, also 300-mal schneller als unser Planet. Der Weiße-Zwerg-Pulsar hat eine ähnliche Größe wie die Erde, aber eine Masse, die mindestens so groß ist wie die der Sonne. Das bedeutet, dass ein Teelöffel Weißer Zwerg etwa 15 Tonnen wiegen würde. Weiße Zwerge beginnen ihr Leben bei extrem hohen Temperaturen, bevor sie über Milliarden von Jahren abkühlen. Die niedrige Temperatur von J1912-4410 deutet auf ein hohes Alter hin.

Die Studie bestätigt, dass es weitere Weiße-Zwerg-Pulsare gibt, wie von früheren Modellen vorhergesagt. Es gab noch weitere Vorhersagen des Dynamomodells, die durch die Entdeckung von J1912-4410 bestätigt wurden. Aufgrund ihres hohen Alters sollten die Weißen Zwerge in dem Pulsarsystem kühl sein. Ihre Begleiter sollten nahe genug sein, dass die Anziehungskraft des Weißen Zwerges in der Vergangenheit stark genug war, um dem Begleiter Masse zu entziehen, was dazu führt, dass sie sich schnell drehen. Alle diese Annahmen treffen auf den neu entdeckten Pulsar zu: Der Weiße Zwerg ist kühler als 13.000 Kelvin, hat eine hohe Rotationsfrequenz von etwa fünf Minuten, und die Anziehungskraft des Weißen Zwerges hat eine starke Wirkung auf den Begleiter.

Ein Team nutzte Daten von Gaia und WISE, um Kandidaten zu finden, und konzentrierte sich auf solche, die ähnliche Eigenschaften wie AR Scorpii aufweisen. Nachdem sie ein paar Dutzend Kandidaten beobachtet hatten, fanden sie einen mit sehr ähnlichen Lichtvariationen wie AR Scorpii. Eine Folgebeobachtung mit anderen Teleskopen ergab, dass dieses System etwa alle fünf Minuten ein Radio- und Röntgensignal in Richtung Erde sendet. Ein anderes Team nutzte Daten des Röntgenteleskops eROSITA auf dem Satelliten Spektrum-Röntgen-Gamma, um enge Weißer-Zwerg/Roter-Zwerg-Paare zu finden. Beide Teams schlossen sich zusammen, um ihre neue Entdeckung weiter zu untersuchen.

„Wir freuen uns sehr, dass wir das Objekt in der mit SRG/eROSITA durchgeführten Röntgendurchmusterung gefunden haben“, bemerkt Dr. Axel Schwope, Leiter der Gruppe Röntgenastronomie am AIP und Erstautor der in Astronomy & Astrophysics erschienen Studie. „Die Folgeuntersuchung mit dem ESA-Satelliten XMM-Newton zeigte die Pulsationen im hochenergetischen Röntgenbereich, der letzte fehlende Beweis, um das Objekt als Weißen-Zwerg-Pulsar zu identifizieren. Damit bestätigten wir die ungewöhnliche Natur des neuen Objekts und etablierten die Weißen-Zwerg-Pulsare als eine neue Klasse, wenn auch derzeit nur mit zwei Vertretern.“

Dr. Ingrid Pelisoli vom Institut für Physik der Universität Warwick und Erstautorin der Nature-Studie, fügt hinzu: „Der Ursprung von Magnetfeldern ist eine große offene Frage in vielen Bereichen der Astronomie, und dies gilt insbesondere für Weiße Zwerge. Die Magnetfelder in Weißen Zwergen können mehr als eine Million Mal stärker sein als das Magnetfeld der Sonne, und das Dynamomodell hilft zu erklären, warum. Die Entdeckung von J1912-4410 ist ein entscheidender Schritt nach vorn in diesem Bereich.“

Über das AIP
Das Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam (AIP) widmet sich astrophysikalischen Fragen, die von der Untersuchung unserer Sonne bis zur Entwicklung des Kosmos reichen. Forschungsschwerpunkte sind dabei kosmische Magnetfelder und extragalaktische Astrophysik sowie die Entwicklung von Forschungstechnologien in den Bereichen Spektroskopie, robotische Teleskope und E-Science. Seinen Forschungsauftrag führt das AIP im Rahmen zahlreicher nationaler, europäischer und internationaler Kooperationen aus. Das Institut ist Nachfolger der 1700 gegründeten Berliner Sternwarte und des 1874 gegründeten Astrophysikalischen Observatoriums Potsdam, das sich als erstes Institut weltweit ausdrücklich der Astrophysik widmete. Seit 1992 ist das AIP Mitglied der Leibniz-Gemeinschaft.

Originalveröffentlichungen
X-ray properties of the white dwarf pulsar eRASSU J191213.9−441044. A. Schwope, T. R. Marsh, A. Standke, I. Pelisoli, S. Potter, D. Buckley, J. Munday, V. Dhillon. A&A 674 L9 (2023), doi.org/10.1051/0004-6361/202346589, https://www.aanda.org/articles/aa/abs/2023/06/aa46589-23/aa46589-23.html;
Pelisoli, I., Marsh, T.R., Buckley, D.A.H. et al. A 5.3-min-period pulsing white dwarf in a binary detected from radio to X-rays. Nat Astron (2023), doi.org/10.1038/s41550-023-01995-x, https://www.nature.com/articles/s41550-023-01995-x.

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• Weisse Zwerge
• Neutronensterne, Pulsare, Magnetare

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Quelle: Max-Planck-Institut für Radioastronomie 25. Januar 2023.

25. Janaur 2023 – Neun Millisekunden-Pulsare, die meisten in seltenen und teils ungewöhnlichen Doppelsystemen: Das sind die ersten Ergebnisse einer gezielten Durchmusterung mit dem südafrikanischen Teleskop-Array MeerKAT. Ein internationales Team mit maßgeblicher Beteiligung von Forschenden des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut, AEI) und des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie (MPIfR) wählte 79 unidentifizierte pulsar-ähnliche Quellen aus Beobachtungen des Fermi Gamma-ray Space Telescope der NASA aus und beobachtete sie mit MeerKAT im Radiobereich. Die Kombination dieser bewährten Methode mit einem Teleskop-Array der nächsten Generation hat deutliche Vorteile gegenüber früheren Durchmusterungen. Das Team entdeckte neun schnell rotierende Neutronensterne, die meisten mit ungewöhnlichen Eigenschaften. Bei zwei dieser Objekte wurden Pulsationen der Gammastrahlung, optische Gegenstücke und bei einem weiteren System Röntgenstrahlung entdeckt.

Das Team vom AEI suchte auch nach kontinuierlichen Gravitationswellen von einem der Neutronensterne. Diese Ergebnisse unterstreichen die Bedeutung von gezielten Suchen nach Radiopulsaren in unidentifizierten Gammastrahlenquellen. Diese dürften für weitere Erkenntnisse sorgen: Die Forschenden sind sicher, dass sich bei künftigen Beobachtungen noch mehrere Millisekunden-Pulsare entdecken lassen.

Die Ergebnisse werden heute in der Fachzeitschrift „Monthly Notices of the Royal Astronomical Society“ (MNRAS) veröffentlicht.

„Für unsere TRAPUM-Durchmusterung haben wir mit MeerKAT, einem relativ neuen und äußerst empfindlichen Radioteleskop, zusammen mit einer speziellen Analysesoftware eine Auswahl vielversprechender pulsar-ähnlicher Quellen beobachtet“, sagt Colin Clark, Gruppenleiter am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut; AEI) in Hannover und Erstautor der Studie. „Die Belohnung für unsere Mühen ist etwas, auf das wir stolz sein können: Wir haben neun neue Millisekunden-Pulsare entdeckt, von denen einige recht ungewöhnlich sind.“

Das Team verwendete einen bewährten Ansatz, um neue Millisekunden-Pulsare zu entdecken: Der Katalog des Fermi Large Area Telescope verzeichnet Gammastrahlenquellen, die das Fermi Gamma-ray Space Telescope der NASA in acht Jahren Beobachtungszeit entdeckte. Dieser Katalog enthält Informationen über die Himmelspositionen der Quellen, die Energieverteilung ihrer Gammastrahlung und die zeitlichen Veränderungen ihrer Gammastrahlenhelligkeit. „Wir haben mit Methoden des maschinellen Lernens für alle Quellen im Fermi-Katalog, die nicht mit bekannten Himmelsobjekten assoziiert sind, die Wahrscheinlichkeit bestimmt, dass sie Pulsare sind“, erklärt Clark. „So identifizierten wir die pulsar-ähnlichsten Quellen im Fermi-Katalog. Danach reduzierten wir unsere Liste auf diejenigen Quellen, die mit unserer Durchmusterung am ehesten nachweisbar sein würden. Wir haben dann 79 Quellen mit MeerKAT beobachtet.“

MeerKAT bietet eine noch nie dagewesene Empfindlichkeit am Südhimmel
MeerKAT ist eine Anordnung von 64 Parabolantennen mit einem effektiven Durchmesser von je 13,5 Meter in der Karoo in Südafrika. MeerKAT bietet eine noch nie dagewesene Empfindlichkeit für Himmelsobjekte in der südlichen Hemisphäre. Es ist in der Lage, Quellen zu entdecken, die etwa fünfmal schwächer sind als diejenigen, die das zweitempfindlichste Teleskop der Südhemisphäre beobachten kann.

Das „TRansients and Pulsars using MeerKAT Large Survey Project“ (TRAPUM) nutzt diese Empfindlichkeit, um nach neuen Pulsaren in den Teilen des Himmels zu suchen, in denen sie am wahrscheinlichsten zu finden sind: Kugelsternhaufen, nahe Galaxien, Supernovaüberreste und – wie in dieser Untersuchung – unidentifizierte Gammastrahlenquellen. Dies erforderte die Entwicklung spezieller Computerhardware, die die Daten der MeerKAT-Antennen zu einem virtuellen großen Radioteleskop kombiniert, das fast 500 nahe beieinander liegende Himmelspositionen gleichzeitig beobachten kann.

Bei dieser TRAPUM-Durchmusterung von Fermi-Quellen wird die zusätzliche Empfindlichkeit von MeerKAT dazu genutzt, um die Beobachtungszeit auf nur 10 Minuten zu verkürzen. Das ist wesentlich kürzer als die stundenlangen Beobachtungen, die zuvor erforderlich waren, um Pulsare in diesen Quellen zu finden.

Kurze Beobachtungen haben viele Vorteile: In begrenzter Beobachtungszeit lassen sich mehr Quellen erfassen. Sie können wiederholt beobachtet werden, was die Chance erhöht, einen neuen Radiopulsar zu entdecken, da sie bei der ersten Beobachtung nicht immer sichtbar sind. Die TRAPUM-Pulsardurchmusterung umfasste zwei Beobachtungen pro Quelle. Die Analyse kurzer Beobachtungen ist rechnerisch weniger anspruchsvoll als die von längeren. Zudem kann die Bahnbewegung in Doppelsternsystemen die Entdeckung von Radiopulsaren erschweren. Während einer kurzen Beobachtungszeit ist die Bewegung des Pulsars nahezu konstant, so dass der nachteilige Effekt einer sich ändernden Bahnbewegung verringert wird.

Zusätzlich zur hohen Empfindlichkeit bietet das MeerKAT-Array einen weiteren Vorteil gegenüber Radioteleskopen mit einer einzigen Parabolantenne. MeerKAT kann die Himmelsposition neuer Quellen mit sehr hoher Präzision bestimmen, weil die Einzelantennen bis zu 8 Kilometer voneinander entfernt sind. Das ermöglicht schnelle Folgeuntersuchungen bei anderen Wellenlängen.

Neun neue Millisekunden-Pulsare
Die Suche nach Pulsaren in den großen Datenmengen, die während der TRAPUM-Beobachtungen entstehen, erfordert viel Rechenleistung und eine schnelle Verarbeitung, um Speicherplatz für weitere Beobachtungen freizugeben.

„Wir haben speziell entwickelte Datenanalyse-Methoden verwendet, die auf 120 Grafikprozessoren (GPUs) in einem speziellen Computer-Cluster laufen, um unsere MeerKAT-Beobachtungen zu sichten. Wir haben schnell neun Kandidaten für Millisekunden-Pulsare gefunden, die wir alle durch zusätzliche MeerKAT-Beobachtungen bestätigen konnten“, sagt Ewan Barr, Gruppenleiter am Max-Planck-Institut für Radioastronomie und TRAPUM-Projektwissenschaftler. „Es ist großartig, dass wir diese Bestätigungsbeobachtungen auch dazu nutzen konnten, die Himmelspositionen zu verfeinern, da MeerKAT in der Lage ist, viele nahe beieinander liegende Himmelspositionen gleichzeitig zu beobachten. Das ist von unschätzbarem Wert für Folgeuntersuchungen bei verschiedenen Wellenlängen.“

Ein enges Doppelsternsystem aus einem Pulsar und einem Weißen Zwerg
Eine der Entdeckungen, PSR J1526-2744, wurde anschließend genau untersucht. Nach der Entdeckung dieses Radiopulsars in einem Doppelsternsystem spürten die Forschenden auch die Gammastrahlenpulsationen des Neutronensterns auf. Mit Hilfe aller verfügbaren Fermi-Daten konnten sie die Bahnbewegung genau untersuchen und die Eigenschaften des Doppelsternsystems bestimmen. Höchstwahrscheinlich umkreist der Neutronenstern das gemeinsame Massenzentrum mit einem leichten Weißen Zwerg in etwas weniger als fünf Stunden. Dies wäre die zweitkürzeste bekannte Umlaufzeit eines solchen Doppelsystems.

Das Team suchte auch nach kontinuierlichen Gravitationswellen von PSR J1526-2744. Wäre der Neutronenstern verformt, so würde er Gravitationswellen mit der doppelten Rotationsfrequenz aussenden. Die Forschenden nutzten alle öffentlich verfügbaren Advanced-LIGO-Daten aus den Beobachtungsläufen O1, O2 und O3. Da sie die Bewegung des Pulsars im Doppelsternsystem aufgrund der Gammastrahlenbeobachtungen genau kannten, erreichte das Forscherteam die höchstmögliche Empfindlichkeit für die Suche nach Gravitationswellen.

Gravitationswellen
Auch wenn sie von PSR J1526-2744 keine kontinuierlichen Gravitationswellen beobachteten, konnten sie messen, wie weit der Neutronenstern von der perfekten Achsensymmetrie abweicht. „Wir wissen jetzt, dass PSR J1526-2744 tatsächlich sehr symmetrisch ist. Wir haben gezeigt, dass der Äquator des Neutronensterns nicht viel mehr als der Durchmesser eines menschlichen Haares von einem perfekten Kreis abweichen kann,“ sagt Anjana Ashok, Doktorandin in der permanenten unabhängigen Max-Planck-Forschungsgruppe „Kontinuierliche Gravitationswellen“ am AEI Hannover. Sie leitete die Suche nach Gravitationswellen.

Zwei weitere Pulsare, PSR J1036-4353 und PSR J1803-6707, sind typische „Redback“-Pulsarsysteme, die aus Neutronensternen mit Begleitsternen von mindestens einem Viertel der Masse unserer Sonne bestehen. Diese Pulsare verdampfen und zerstören ihre Begleiter im Laufe der Zeit, ähnlich den namensgebenden australischen Rotrückenspinnen, deren Weibchen die Männchen nach der Paarung auffressen.

Nach der schnellen und präzisen Bestimmung der Pulsarpositionen mit den einzigartigen Fähigkeiten von MeerKAT wurden die Pulsarbegleiter im Sternkatalog der Astrometrie-Mission Gaia identifiziert und im optischen Spektrum mit der ULTRACAM-Kamera am New Technology Telescope der ESO untersucht. Darüber hinaus fand man Röntgenstrahlung von PSR J1803-6707 in Daten der ersten eROSITA-Gesamtdurchmusterung. Die Röntgenstrahlung stammt wahrscheinlich von dem energiereichen Pulsarwind, der auf das vom Begleiter verdampfte Material trifft. Sie ist typisch für Redback-Systeme.

Pulsare, die sich im Katalog verstecken
Es ist schwierig, die Anzahl der noch unentdeckten Pulsare abzuschätzen, die sich hinter nicht identifizierten pulsar-ähnlichen Fermi-Quellen verstecken. Dennoch sind die Fachleute sicher, dass zukünftige Beobachtungen noch mehrere Millisekunden-Pulsare aufspüren können. In der Zielliste gibt es weitere Kandidaten, die sehr wahrscheinlich Pulsare sind. Allerdings zeigten sie auch in mehreren Durchmusterungen bisher keine pulsierenden Radiowellen oder Gammastrahlen. Neue Teleskope, Analysemethoden und wiederholte Beobachtungsversuche könnten eines Tages beweisen, dass sie Pulsare sind. Mit weiterhin zunehmender Beobachtungszeit von Fermi wird der Quellenkatalog wachsen und weitere pulsar-ähnliche Quellen werden auftauchen und zu potenziellen Zielen werden.

„Unsere Ergebnisse, die nur die ersten der TRAPUM-Durchmusterung von Fermi-Quellen sind, zeigen bereits das große Potenzial von MeerKAT. Mit MeerKAT und einer speziellen Software sind wir nicht nur in der Lage, neue Millisekunden-Pulsare zu entdecken, sondern auch schnell und präzise zu lokalisieren“, sagt Clark. „Die MeerKAT-Beobachtungen sind eine große Hilfe bei der Nachverfolgung bei mehreren Wellenlängen, bei der Suche in Katalogen und bei zukünftigen Beobachtungen – mit anderen Worten: sie machen Millisekunden-Pulsare zu einem Geschenk, das immer weiter beschenkt.“

Hintergrundinformation
Das vom „South African Radio Astronomy Observatory“ (SARAO) betriebene MeerKAT-Teleskop ist das größte Radioteleskop der südlichen Hemisphäre und eines von zwei Vorläuferinstrumenten für das SKA-Observatorium mit Sitz in Südafrika. Das in der Karoo-Wüste gelegene Radioteleskop-Netzwerk wird demnächst durch eine zusätzliche Anzahl von Parabolantennen zu „MeerKAT+“ erweitert. Dieses wird später schrittweise in das SKAO-Teleskopnetzwerk für eine mittleren Frequenzbereich integriert, dessen Bau bereits begonnen hat und bis 2028 andauern wird. Die ersten wissenschaftlichen Beobachtungen von MeerKAT+ könnten bereits 2023 beginnen, während der Testphasen des Teleskops.

TRAPUM („TRAnsients and PUlsars with MeerKAT“) ist eines der sogenannten „Large Survey Proposals“, die mit MeerKAT durchgeführt werden. Es handelt sich um eine internationale Zusammenarbeit unter der Leitung der Universität Manchester und des MPIfR, an der auch Einrichtungen wie INAF in Italien, das National Radio Astronomy Observatory (NRAO) in den USA und das „South African Radio Astronomy Observatory“ (SARAO) beteiligt sind.

Originalveröffentlichung
The TRAPUM L-band survey for pulsars in Fermi-LAT gamma-ray sources
Colin Clark et al., Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (MNRAS), Volume 519, Issue 4, March 2023, Pages 5590–5606, DOI: 10.1093/mnras/stac3742
https://academic.oup.com/mnras/article/519/4/5590/6973222

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• Neutronensterne, Pulsare, Magnetare

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Quelle: Max-Planck-Institut für Radioastronomie 3. August 2022.

3. August 2022 – Das 100-m-Radioteleskop des Bonner Max-Planck-Instituts für Radioastronomie beging im Jahr 2021 seinen 50. Geburtstag. Der Aufbau des Teleskops in einem Eifeltal ca. 40 km südwestlich von Bonn erforderte eine dreieinhalbjährige Bauzeit von 1967 bis 1971, die mit der offiziellen Einweihung am 12. Mai 1971 abgeschlossen wurde. Es sollte dann noch etwas mehr als ein Jahr vergehen, bis zum 1. August 1972 die volle Inbetriebnahme des Teleskops und der Start des regulären Beobachtungsprogramms erfolgen konnten.

Das 100-m-Radioteleskop des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie (MPIfR) liegt in einem Bachtal unmittelbar an der Grenze zwischen den Bundesländern Nordrhein-Westfalen und Rheinland-Pfalz. Vom Besucherparkplatz bei den Eifeldörfern Effelsberg und Lethert, die beide zur Ortsgemeinde Bad Münstereifel gehören, sind es ungefähr 15 Minuten Fußweg bis zum Besucherpavillon des Radioteleskops mit direktem Blick auf das Teleskop selbst.

Als Rückblick auf 50 Jahre erfolgreiche Forschungsarbeit mit dem 100-m-Radioteleskop Effelsberg wurde im Mai 2021 ein vierter astronomischer Wanderweg, der „Zeitreiseweg“, in der Nachbarschaft des Radioteleskops Effelsberg eröffnet. Er beginnt am Besucherpavillon in unmittelbarer Nähe zum 100-m-Radioteleskop, führt auf einer Strecke von etwas mehr als 5 km rund um das Teleskop und endet am Aussichtspunkt direkt vor der riesigen Antenne. Von dort führt ein kurzer Zickzack-Weg direkt zurück zum Pavillon.

Während die erste Stationstafel des Zeitreisewegs der Fertigstellung des Radioteleskops im Jahr 1971 (feierliche Einweihung am 12. Mai 1971) gewidmet ist, erfolgten die volle Inbetriebnahme und der Start des regulären Messprogramms dann ein gutes Jahr später zum 1. August 1972.

Tafel 2 des Zeitreisewegs (Abb. 2) steht für die Ereignisse im Jahr 1972, neben der vollen Inbetriebnahme erfolgten auch erste Pulsarmessungen mit dem 100-m-Radioteleskop bei einer Wellenlänge von 2,8 cm. Bei dieser Wellenlänge (entsprechend einer Frequenz von 10,7 GHz) waren es die bis dato höchstfrequenten Messungen von Pulsaren, den erst fünf Jahre zuvor im Jahr 1967 von Jocelyn Bell-Burnell und Antony Hewish entdeckten schnell rotierenden Neutronensternen.

„Tatsächlich war die Veröffentlichung zu Pulsaren von Richard Wielebinski, Wolfgang Sieber, und Koautoren in der Zeitschrift „Nature“ bereits im Jahr 1972 die erste Fachveröffentlichung, die auf Beobachtungsdaten mit dem 100-m-Radioteleskop Effelsberg basierte“, sagt Prof. Michael Kramer, Direktor am Max-Planck-Institut für Radioastronomie und Leiter der Forschungsabteilung „Radioastronomische Fundamentalphysik“.

Der Zeitreiseweg beschreibt auf insgesamt 20 Stationen eine Reihe von Wegmarken aus fünf Jahrzehnten Geschichte des 100-m-Radioteleskops, von der offiziellen Eröffnung im Jahr 1971 bis zum 50-jährigen Jubiläum im Jahr 2021.

Dazu gehören sowohl wissenschaftliche als auch technische Meilensteine, von der ersten Entdeckung der Moleküle Wasser und Ammoniak außerhalb der Grenzen unserer Milchstraße 1977/79 bis hin zum Weltrekord in der Winkelauflösung von nur 11 Mikrobogensekunden (entspricht dem Durchmesser einer 1-Cent-Münze auf der Mondoberfläche) durch Space VLBI-Beobachtungen mit dem 100-m-Teleskop. Hinzu kommen technische Meilensteine wie die Installation eines neuen Subreflektors mit oberflächenaktiven Elementen im Jahr 2006 und die Inbetriebnahme eines zweiten Radioteleskops vor Ort, der Station Effelsberg des europäischen LOFAR-Teleskopnetzwerks.

Der Zeitreiseweg verläuft auf etwas mehr als 5 km Länge rund um das Gelände des Radio-Observatoriums, im Bereich von gleich zwei Bundesländern (Nordrhein-Westfalen und Rheinland-Pfalz).

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• Geschichte der Astronomie/ Historisches

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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.

12. Januar 2022 – Ein internationales Team von Astronomen, darunter eine Reihe von Wissenschaftlern aus dem Bonner Max-Planck-Institut für Radioastronomie, gibt die Ergebnisse einer umfassenden Suche nach einem niederfrequenten Gravitationswellenhintergrund bekannt. Gravitationswellen mit Wellenlängen von mehreren Lichtjahren im Nanohertzbereich werden von der allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagt. Sie durchdringen die gesamte Raumzeit und könnten von Verschmelzungen der massereichsten schwarzen Löcher im Universum oder von Ereignissen kurz nach der Entstehung des Universums im Urknall herrühren.
Die Ergebnisse werden online in der Fachzeitschrift „Monthly Notices of the Royal Astronomical Society“ veröffentlicht.

Das „International Pulsar Timing Array“ (IPTA), an dem mehrere Kollaborationen von Astrophysikern aus der ganzen Welt beteiligt sind, präsentiert das Ergebnis seiner Suche nach Gravitationswellen mit einer neuen Datenveröffentlichung unter der Bezeichnung „Data Release 2“ (DR2). Dieser Datensatz besteht aus präzisen Zeitmessdaten von 65 Millisekunden-Pulsaren. Das sind Überreste von massereichen Sternen, die sich Hunderte Male pro Sekunde um die eigene Achse drehen. Sie senden dabei stark gebündelte Radiowellen aus, die aufgrund der Drehung als Pulse sichtbar werden. Die Gesamtdaten setzen sich zusammen aus der Kombination mehrerer voneinander unabhängiger Datensätze des „European Pulsar Timing Array“ (EPTA), des „North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves“ (NANOGrav) und des „Parkes Pulsar Timing Array“ in Australien (PPTA), den drei Gründungsmitgliedern des IPTA.

Im Rahmen der Zusammenarbeit von Teams aus Astronomen, Datenanalysten und Astrophysikern an den größten europäischen Radioteleskopen und mehreren angeschlossenen Forschungsinstituten stellt das „European Pulsar Timing Array“ einen Teil des „International Pulsar Timing Array“ dar und trägt zu diesem bei.

Einer der Hauptschwerpunkte des EPTA liegt in der Kombination von Daten. „Das European Pulsar Timing Array ist selbst bereits ein internationales Projekt und wir sind es gewohnt, Daten von bis zu fünf verschiedenen Radioteleskopen zu kombinieren und sogar gleichzeitig zu beobachten. Dieses Fachwissen war bei der Erstellung der aktuellen Datenveröffentlichung sehr hilfreich“, sagt Dr. David Champion vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR) in Bonn, Mitglied der EPTA-Kollaboration und Mitautor der Studie. Die große Anzahl von 42 Pulsaren und eine lange Basis von bis zu 18 Jahren für die Zeitreihenuntersuchungen machen einen Großteil der Beobachtungen im Rahmen der Veröffentlichung aus. Die verwendete Bayes’schen Methodik wurde zum überwiegenden Teil von den Europäern entwickelt, um damit Obergrenzen für die Stärke des Gravitationswellenhintergrunds (GWB) festzulegen und so die Statistik des entstehenden Signals über die Jahre hinweg verstehen zu können.

Die Suche nach einem Gravitationswellenhintergrund beinhaltet auch einen umfassenden Vergleich der einzelnen Datensätze von den regionalen Kollaborationen mit dem kombinierten Gesamtdatensatz. Diese Suche im Rahmen der vorliegenden Veröffentlichung hat deutliche Hinweise auf ein niederfrequentes Gravitationswellensignal ergeben, das bei vielen der Pulsare in den kombinierten Daten entdeckt wurde. Die Eigenschaften dieses Signals, das bei vielen Pulsaren gemeinsam auftritt, stimmen weitgehend mit dem überein, was man von einem Gravitationswellenhintergrund erwartet. Das Hintergrundsignal setzt sich zusammen aus vielen verschiedenen, sich überlagernden Gravitationswellensignalen, die von einer kosmischen Population supermassereicher binärer Schwarzer Löcher (darunter versteht man zwei supermassereiche Schwarze Löcher, die sich gegenseitig umkreisen und schließlich miteinander verschmelzen werden) ausgesendet werden, ähnlich wie beim Hintergrundrauschen von vielen sich überlagernden Stimmen in einem überfüllten Saal. Das Ergebnis untermauert das allmähliche Auftauchen ähnlicher Signale, die in den letzten Jahren bereits in den einzelnen (Unter-)Datensätzen der beteiligten Kollaborationen gefunden werden konnten.

„Dies ist ein sehr aufregendes Signal! Obwohl wir noch nicht den endgültigen Beweis haben, könnten wir am Anfang davon stehen, einen Hintergrund von Gravitationswellen in den Daten zu entdecken“, sagt Dr. Siyuan Chen, Mitglied der EPTA- und NANOGrav-Kollaborationen und Leiter der DR2-Suche und Veröffentlichung im Rahmen des „International Pulsar Timing Arrays“. Dr. Boris Goncharov vom australischen „Parkes Pulsar Timing Array“ warnt allerdings vor möglicherweise zu weitgehenden Interpretationen solcher gemeinsamen Signale: „Wir untersuchen auch alternative Interpretationen. Das Signal könnte zum Beispiel vom Rauschen herrühren, das in den Daten einzelner Pulsare vorhanden ist und in unseren Analysen nicht korrekt modelliert wurde.“

Um den Gravitationswellenhintergrund als Ursprung des niederfrequenten Signals identifizieren zu können, muss das IPTA auch räumliche Korrelationen zwischen den Pulsaren nachweisen. Das bedeutet, dass jedes Paar von Pulsaren in einer ganz bestimmten Weise auf die Gravitationswellen reagieren muss, je nach dem Abstand der beiden Pulsare am Himmel. „Die Korrelation des Signals zwischen Paaren von Pulsaren ist der Schlüssel zum Verständnis der Signalquelle. Gravitationswellen haben ein sehr spezifisches Muster, das auf andere Weise nur schwer zu erklären ist. Aber wir brauchen ein stärkeres Signal, um diese Korrelation nachweisen zu können“, erklärt Dr. Yanjun Guo, Wissenschaftlerin am MPIfR. Interessanterweise liegt der erste Hinweis auf einen Gravitationswellenhintergrund in einem gemeinsamen Signal, wie es in den aktuellen IPTA-Daten zu sehen ist. Ob dieses spektral ähnliche niederfrequente Signal zwischen den Pulsaren in Übereinstimmung mit den theoretischen Vorhersagen für einen Gravitationswellenhintergrund steht, wird in Zukunft geklärt werden mit weiteren Datenerhebungen, erweiterten Netzwerken von systematisch vermessenen Pulsaren und fortgesetzter Suche in größeren Datensätzen, die einen längeren Zeitraum umfassen.

Konsistente Signale wie dasjenige, das jetzt mit der IPTA-Analyse gefunden wurde, sind bereits in einzelnen Datensätzen der Unternetzwerke veröffentlicht worden, die neueren Datums sind als die jetzt veröffentlichen, und zwar von jeder der drei Gründer-Kollaborationen (EPTA, PPTA & NanoGRAV). „Die Tatsache, dass das gleiche Signal bereits in dem nur über einen kürzeren Zeitraum gehenden IPTA-Datensatz zu sehen ist, zeigt die Stärke der internationalen Kombination und stellt eine große Motivation dar, mehr Daten der aktuellen und neuen Mitgliederkollaborationen in das Pulsar Timing einzubeziehen“, sagt Adytia Parthasarathy vom MPIfR. Zusätzlich werden neue Daten des MeerKAT-Teleskops in Südafrika und des „Indian Pulsar Timing Array“ (InPTA), dem jüngsten Mitglied der IPTA, die zukünftigen Datensätze erweitern. „Der erste Hinweis auf einen Gravitationswellenhintergrund wäre so etwas wie das in unseren jetzigen Daten gesehene Signal. Mit mehr Daten in der Zukunft wird das Signal dann signifikanter werden und räumliche Korrelationen aufweisen, so dass wir wissen, dass es sich um das Signal eines Gravitationswellenhintergrunds handelt. Wir freuen uns sehr darauf, zum ersten Mal mehrere Jahre neuer Daten zum IPTA beizusteuern, um zu einer möglichen Entdeckung beizutragen“, sagt Dr. Bhal Chandra Joshi, Mitglied des „Indian Pulsar Timing Arrays“.

Kürzlich produzierte das European Pulsar Timing Array einen neuen Datensatz mit sechs Pulsaren, mit dem die Beobachtungszeit auf 24 Jahre mit empfindlicheren Daten erweitert werden konnte. Die Analyse erfolgte sowohl für die Suche nach einem gemeinsamen Signal über zwei unabhängige Datenanalysekanäle als auch für eine einzelne Studie zum Rauschen der Pulsare. Es wird weiterhin daran gearbeitet, die Anzahl der Pulsare auf mindestens 25 zu erhöhen. Dieser erweiterte EPTA-Datensatz wird dann auch Teil der nächsten IPTA-Datenkombination werden.

In Anbetracht der zuletzt veröffentlichten Ergebnisse von den Einzelgruppen, die nun alle das gemeinsame Signal darstellen können, ist das IPTA optimistisch, was erreicht werden kann, wenn diese Daten wiederum in der nächsten Datenveröffentlichung (IPTA DR3) kombiniert werden. Die Arbeiten an dieser neuen Datenveröffentlichung, die aktualisierte Datensätze der vier Pulsar-Timing-Arrays des IPTA enthalten wird, sind bereits im Gange. Es ist davon auszugehen, dass die Analyse für die nächste Datenfreigabe innerhalb weniger Jahre abgeschlossen werden kann. „Wenn das Signal, das wir derzeit sehen, der erste Hinweis auf einen Gravitationswellenhintergrund ist, dann ist es auf der Grundlage unserer Simulationen möglich, dass wir in naher Zukunft genauere Messungen der räumlichen Korrelationen erhalten werden, die notwendig sind, um den Ursprung des gemeinsamen Signals eindeutig zu identifizieren“, sagt Dr. Maura McLaughlin von der NANOGrav-Kollaboration. „Das Ganze ist eine echte internationale Teamleistung. Allein die Forschergruppe bei uns am MPIfR besteht aus einer vielfältig zusammengesetzten Gruppe von jüngeren und älteren Wissenschaftlern mit ganz unterschiedlichem kulturellen Hintergrund, die alle am selben Ziel arbeiten“, schließt Michael Kramer, Direktor am MPIfR und Leiter der Forschungsabteilung „Radioastronomische Fundamentalphysik“.

Originalveröffentlichung
The International Pulsar Timing Array second data release: Search for an isotropic Gravitational Wave Background
IPTA-Kollaboration: J. Antoniadis et al., 2022, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (DOI: 10.1093/mnras/stab3418).
The International Pulsar Timing Array second data release: Search for an isotropic Gravitational Wave Background
The IPTA collaboration: J. Antoniadis et al., 2022, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (arXiv link)

Die Autoren der Veröffentlichung sind J. Antoniadis, Z. Arzoumanian, S. Babak, M. Bailes, A.-S. Bak Nielsen, P. T. Baker, C. G. Bassa, B. Bécsy, A. Berthereau, M. Bonetti, A. Brazier, P. R. Brook, M. Burgay, S. Burke-Spolaor, R. N. Caballero, J. A. Casey-Clyde, A. Chalumeau, D. J. Champion, M. Charisi, S. Chatterjee, S. Chen, I. Cognard, J. M. Cordes, N. J. Cornish, F. Crawford, H. T. Cromartie, K. Crowter, S. Dai, M. E. DeCesar, P. B. Demorest, G. Desvignes, T. Dolch, B. Drachler, M. Falxa, E. C. Ferrara, W. Fiore, E. Fonseca, J. R. Gair, N. Garver-Daniels, B. Goncharov, D. C. Good, E. Graikou, L. Guillemot, Y. J. Guo, J. S. Hazboun, G. Hobbs, H. Hu, K. Islo, G. H. Janssen, R. J. Jennings, A. D. Johnson, M. L. Jones, A. R. Kaiser, D. L. Kaplan, R. Karuppusamy, M. J. Keith, L. Z. Kelley, M. Kerr, J. S. Key, M. Kramer, M. T. Lam, W. G. Lamb, T. J. W. Lazio, K. J. Lee, L. Lentati, K. Liu, J. Luo, R. S. Lynch, A. G. Lyne, D. R. Madison, R. A. Main, R. N. Manchester, A. McEwen, J. W. McKee, M. A. McLaughlin, M. B. Mickaliger, C. M. F. Mingarelli, C. Ng, D. J. Nice, S. Oslowski, A. Parthasarathy, T. T. Pennucci, B. B. P. Perera, D. Perrodin, A. Petiteau, N. S. Pol, N. K. Porayko, A. Possenti, S. M. Ransom, P. S. Ray, D. J. Reardon, C. J. Russell, A. Samajdar, L. M. Sampson, S. Sanidas, J. M. Sarkissian, K. Schmitz, L. Schult, A. Sesana, G. Shaifullah, R. M. Shannon, B. J. Shapiro-Albert, X. Siemens, J. Simon, T. L. Smith, L. Speri, R. Spiewak, I. H. Stairs, B. W. Stappers, D. R. Stinebring, J. K. Swiggum, S. R. Taylor, G. Theureau, C. Tiburzi, M. Vallisneri, E. van der Wateren, A. Vecchio, J. P. W. Verbiest, S. J. Vigeland, H. Wahl, J. B. Wang, J. Wang, L. Wang, C. A. Witt, S. Zhang, und X. J. Zhu.

Die an der Veröffentlichung beteiligten Autoren mit Erst- oder Zweitaffiliation am MPIfR sind John Antoniadis, Ann-Sofie Bak Nielsen, David Champion, Gregory Desvignes, Yanjun Guo, Huanchen Hu, Ramesh Karuppusamy, Michael Kramer, Kejia Lee, Kuo Liu, Robert Main, Adytia Parthasarathy, Nataliya Porayko, und Joris Verbiest.

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Quelle: Max-Planck-Institut für Radioastronomie.

13. Dezember 2021 – Ein internationales Team von Forschern aus zehn Ländern unter der Leitung von Michael Kramer vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn hat in einem 16 Jahre dauernden Experiment Einsteins allgemeine Relativitätstheorie mit einigen der bisher rigidesten Tests überprüft. Sie erforschten ein einzigartiges Sternpaar mit extremen Eigenschaften, zwei sogenannte Pulsare, die einander in einem Doppelsternsystem umkreisen. Bei den Untersuchungen, an denen sieben Radioteleskope auf der ganzen Welt beteiligt waren, traten neue relativistische Effekte zutage, die erwartet worden waren, nun aber zum ersten Mal beobachtet wurden. Die Theorie von Einstein, die zu einer Zeit entwickelt wurde, als man sich weder diese Typen von extremen Sternen noch die zu ihrer Untersuchung verwendeten Techniken vorstellen konnte, stimmt mit den Beobachtungen besser als 99,99 % überein. Die Ergebnisse werden in der Fachzeitschrift “Physical Review X” veröffentlicht.

Mehr als 100 Jahre, nachdem Albert Einstein seine Gravitationstheorie veröffentlicht hat, bemühen sich Wissenschaftler auf der ganzen Welt weiterhin, mögliche Grenzen der allgemeinen Relativitätstheorie aufzuzeigen. Die Beobachtung einer Abweichung von den Vorhersagen dieser Theorie wäre eine wichtige Entdeckung, die ein Fenster zu einer neuen Physik öffnen würde, und über unser derzeitiges theoretisches Verständnis des Universums hinausgeht.
Der Leiter des Forschungsteams, Prof. Michael Kramer vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR) in Bonn, sagt: „Wir haben ein System mit zwei Sternen von extrem hoher Dichte untersucht, das ein einzigartiges Labor darstellt, um Gravitationstheorien in der Anwesenheit sehr starker Gravitationsfelder zu testen. Zu unserer Freude konnten wir einen Eckpfeiler der Einsteinschen Theorie, nämlich die Energieabstrahlung von Gravitationswellen, mit einer Genauigkeit testen, die 25-mal besser ist als bei dem mit dem Nobelpreis ausgezeichneten Hulse-Taylor-Pulsar und 1000-mal besser als es derzeit mit Gravitationswellendetektoren auf der Erde möglich ist.“ Er erklärt weiterhin, dass die Beobachtungen nicht nur exzellent mit der Theorie übereinstimmen, „sondern wir konnten auch Effekte sehen, die vorher nicht zugänglich waren.“

Prof. Ingrid Stairs von der University of British Columbia in Vancouver nennt ein Beispiel: „Wir verfolgen die Ausbreitung von Radiophotonen, die von einem kosmischen Leuchtturm, einem Pulsar, ausgesandt werden, und untersuchen ihre Bewegung im starken Gravitationsfeld eines Begleitpulsars. Wir sehen zum ersten Mal, dass das Licht nicht nur aufgrund einer starken Krümmung der Raumzeit um den Begleiter verzögert wird, sondern dass das Licht auch um einen kleinen Winkel von 0,04 Grad abgelenkt wird, den wir nachweisen können. Nie zuvor wurde ein solches Experiment bei einer so starken Raumzeitkrümmung durchgeführt.“

Dieses kosmische Labor, das unter dem Namen „Doppelpulsar“ bekannt ist, wurde von Mitgliedern des Teams im Jahr 2003 entdeckt. Es besteht aus zwei Radiopulsaren, die einander in nur 147 Minuten mit Geschwindigkeiten von etwa 1 Million km/h umkreisen. Der eine Pulsar dreht sich sehr schnell, etwa 44 Mal pro Sekunde. Der Begleiter ist jung und hat eine Rotationsperiode von 2,8 Sekunden. Ihre Bewegung umeinander kann als nahezu perfektes Labor zur Untersuchung von Gravitationstheorien in extremer Umgebung genutzt werden.

Prof. Dick Manchester von der nationalen Wissenschaftsagentur CSIRO in Australien veranschaulicht dies wie folgt: „Eine derart schnelle Umlaufbewegung von solch kompakten Objekten – sie sind etwa 30 % massereicher als die Sonne, haben aber nur einen Durchmesser von etwa 24 km – ermöglicht es uns, eine Reihe von Vorhersagen der allgemeinen Relativitätstheorie zu testen – insgesamt sind es sieben Stück! Neben den Gravitationswellen können wir mit der Präzision unseres Experiments auch Effekte der Lichtausbreitung untersuchen, wie die so genannte „Shapiro-Verzögerung“ und die Beugung des Lichts. Wir messen auch den Effekt der „Zeitdilatation“, der Uhren in Gravitationsfeldern langsamer laufen lässt. Wir müssen sogar Einsteins berühmte Gleichung E = mc² berücksichtigen, wenn wir die Wirkung der elektromagnetischen Strahlung des sich so schnell drehenden Pulsars auf die Bahnbewegung untersuchen. Diese Strahlung entspricht einem Massenverlust von 8 Millionen Tonnen pro Sekunde! Das scheint viel zu sein, aber es ist nur ein winziger Bruchteil – 3 Teile von tausend Milliarden Milliarden (!) – der Gesamtmasse des Pulsars pro Sekunde.“

Die Forscher haben auch mit einer Genauigkeit von 1 Teil in einer Million (!) nachweisen können, dass die Bahn ihre Ausrichtung ändert. Das ist ein relativistischer Effekt, der auch von der Merkurbahn bekannt ist, hier aber 140.000 Mal stärker auftritt. Sie erkannten, dass sie bei dieser Genauigkeit auch die Auswirkungen der Rotation des Pulsars auf die umgebende Raumzeit berücksichtigen müssen, die mit dem rotierenden Pulsar sozusagen „mitgeschleift“ wird. Dr. Norbert Wex vom MPIfR, ein weiterer Hauptautor der Studie, erklärt: „Physiker nennen dies den Lense-Thirring-Effekt oder Frame-Dragging. In unserem Experiment bedeutet es, dass wir die innere Struktur eines Pulsars als Neutronenstern betrachten müssen. Unsere Messungen ermöglichen es uns daher zum ersten Mal, eine Technik, die wir Pulsar-Timing nennen, nämlich die präzise Nachverfolgung der Umdrehung des Neutronensterns zu nutzen, um Aussagen über die Größe des Sterns treffen zu können.“

Die Technik der Pulsarzeitmessung wurde mit sorgfältigen interferometrischen Messungen des Systems kombiniert, um seine Entfernung mit hochauflösender Bildgebung zu bestimmen. Das Ergebnis beträgt 2.400 Lichtjahre, mit einem Fehler von nur 8%. Teammitglied Prof. Adam Deller von der Swinburne-Universität in Australien, der für diesen Teil des Experiments verantwortlich ist, hebt hervor: „Es ist die Kombination verschiedener, sich ergänzender Beobachtungstechniken, die den extremen Wert des Experiments ausmacht. In der Vergangenheit wurden ähnliche Studien oft durch das begrenzte Wissen über die Entfernung solcher Systeme behindert“. Dies ist hier nicht der Fall, da neben der Pulsarzeitmessung und der Interferometrie auch die Informationen aus den Effekten des interstellaren Mediums sorgfältig berücksichtigt wurden. Prof. Bill Coles von der University of California San Diego stimmt dem zu: „Wir haben alle möglichen Informationen über das System gesammelt und ein vollkommen konsistentes Bild abgeleitet, das die Physik aus vielen verschiedenen Bereichen wie Kernphysik, Gravitation, interstellares Medium, Plasmaphysik und mehr einbezieht. Das ist sehr außergewöhnlich.“

„Unsere Ergebnisse sind eine gute Ergänzung zu anderen experimentellen Studien, die die Schwerkraft unter anderen Bedingungen testen oder unterschiedliche Effekte beobachten, wie Gravitationswellendetektoren oder das Event-Horizon-Teleskop. Sie ergänzen ebenfalls andere Pulsarexperimente, wie unser Timing-Experiment mit einem Pulsar in einem stellaren Dreifachsystem, das einen unabhängigen (und hervorragenden) Test der Universalität des freien Falls geliefert hat“, sagt Paulo Freire, ebenfalls vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie.

Michael Kramer fasst zusammen: „Wir haben einen Grad von Präzision erreicht, der beispiellos ist. Künftige Experimente mit noch größeren Teleskopen können und werden noch weiter gehen. Unsere Arbeit hat gezeigt, wie genau solche Experimente durchgeführt werden müssen und welch subtile Effekte dafür berücksichtigt werden müssen. Und vielleicht werden wir eines Tages wirklich eine Abweichung von der allgemeinen Relativitätstheorie finden…“

Zusätzliche Informationen:
Radiopulsare – schnell rotierende, stark magnetisierte Neutronensterne – sind faszinierende Objekte. Diese unglaublich dichten Objekte, die mehr wiegen als unsere Sonne, aber nur einen Durchmesser von etwa 24 km haben, erzeugen Radiostrahlen, die den Himmel wie das Signal eines Leuchtturms überstreichen. Seit ihrer Entdeckung durch Jocelyn Bell-Burnell und Antony Hewish im Jahr 1967 wurden mehr als 3.000 Pulsare gefunden. Pulsare liefern eine Fülle von Informationen über die Physik von Neutronensternen, Gravitationspotential und Magnetfeld der Milchstraße, das interstellare Medium, Himmelsmechanik, Planetenphysik und sogar Kosmologie. Sie ermöglichen die strengsten Überprüfungen der Vorhersagen von Gravitationstheorien für stark gekrümmte Raumzeiten.

Der „Doppelpulsar“ PSR J0737-3039 A/B wurde von Mitgliedern des Teams entdeckt (M. Burgay et al., 2003, Nature 426, 531-533; A. Lyne et al., 2004, Science 303, 1153). In der ersten Arbeit wurde ein Pulsar in einem Doppelsternsystem beschrieben, während in der zweiten Arbeit auch der Begleiter als Pulsar bestätigt werden konnte. Es ist das einzige bisher bekannte System, in dem zwei Radiopulsare einander umkreisen. Die Quelle wurde in einer Entfernung von 2.400 Lichtjahren in Richtung des Sternbildes Puppis (direkt links von Canis Major mit Sirius, dem hellsten Stern am Nachthimmel) im Rahmen einer Pulsardurchmusterung in hohen galaktischen Breiten mit dem Parkes-Radioteleskop gefunden. Die beiden Pulsare umkreisen einander in nur 147 Minuten. Einer von ihnen dreht sich sehr schnell, etwa 44 Mal pro Sekunde, während der jüngere Begleiter eine Rotationsperiode von 2,8 Sekunden aufweist. Die Geometrie des Systems führt zu Verdeckungen der gepulsten Emission des einen Pulsars durch die Magnetosphäre des anderen. Außerdem hat die geodätische Präzession der Rotationsachse von Pulsar B dazu geführt, dass die Pulssignale des Begleiters seit dem Jahr 2008 vorübergehend verschwunden sind. Der genaue Zeitpunkt ihres Wiederauftauchens hängt von den Details der Gestalt des Pulsarstrahls ab und kann bereits in einigen Monaten oder erst in einer Reihe von Jahren erfolgen. Die Bewegung zweier Pulsare umeinander macht sie zu einem nahezu perfekten Labor für Tests der Gravitation.

Für die Beobachtungen wurden sieben empfindliche Radioteleskope eingesetzt. Dazu gehören das Parkes-Teleskop der CSIRO in Australien (Beobachtungen bei 700 MHz, 1400 MHz und 3100 MHz), das Green-Bank-Teleskop in den USA (Beobachtungen bei 820 MHz und 1400/1500 MHz) (Beobachtungen bei 820 MHz und 1400/1500 MHz), das Nançay-Radioteleskop in Frankreich (Beobachtungen in zwei Bändern mit Zentralfrequenzen von 1484 MHz bzw. 2520 MHz), das 100m-Teleskop Effelsberg (zwei verschiedene 20-cm-Empfängersysteme), das Lovell-Radioteleskop in Großbritannien (im Frequenzbereich von 1300-1700 MHz) und das Westerbork-Synthesis-Radioteleskop in den Niederlanden (Beobachtungen bei 334 MHz). Darüber hinaus wurden Beobachtungen mit dem Very Long Baseline Array (VLBA) mit zehn über die USA verteilten Einzelteleskopen durchgeführt (bei 1,56 GHz).

Das Forschungsteam besteht aus Michael Kramer, Ingrid H. Stairs, Richard N. (Dick) Manchester, Norbert Wex, Adam Deller, William A. Coles, Masooma Ali, Marta Burgay, Fernando Camilo, Ismaël Cognard, Thibault Damour, Gregory Desvignes, Robert Ferdman, Paulo C. C. Freire, Steffani Grondin, Lucas Guillemot, George B. Hobbs, Gemma Janssen, Ramesh Karuppusamy, Duncan R. Lorimer, Andrew G. Lyne, James W. McKee, Maura McLaughlin, L. Elias Münch, Nihan Pol, Andrea Possenti, John Sarkissian, Ben W. Stappers und Gilles Theureau.

Der Erstautor, Michael Kramer, sowie Norbert Wex, Masooma Ali, Paulo Freire, Ramesh Karuppusamy und Elias Münch haben eine Affiliation mit dem MPIfR.

Originalveröffentlichung:
Strong-Field Gravity Tests with the Double Pulsar, M. Kramer et al, 2021, Physical Review X 11, 041050 (13. Dezember 2021), DOI: 10.1103/PhysRevX.11.041050.
https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.11.041050

Strong-field Gravity Tests with the Double Pulsar, M. Kramer et al. 2021, Physical Review X 11, 041050 – am 13. Dezember 2021 veröffentlicht. Preprint astro-ph
https://arxiv.org/abs/2112.06795

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