700 Mal pro Sekunde! Pulsare außerhalb der Milchstraße sind zahlreicher als gedacht

Außerhalb der Milchstraße gibt es ein Geheimnis! Woher kommen Radioblitze? Neutronenstern oder Magnetar?

Neue Forschungsergebnisse zeigen einen engen Zusammenhang zwischen Neutronensternen und schnellen Radioblitzen.

Hier erzeugt ein extrem toter Stern oder Magnetar einen schnellen Radioblitz. (Fotoquelle: NASA)

Neutronensterne entstehen, wenn massereiche Sterne sterben, und neue Forschungsergebnisse zeigen ähnliche Bewegungen zwischen verschiedenen Arten von Neutronensternen. Dies mag wie eine kleine Entdeckung klingen, doch aus einer Makroperspektive unterstützt diese Entdeckung die Idee, dass extrem tote Sterne mit extrem hoher Dichte, die als so klein wie ein Löffel voll und so schwer wie ein Berg angesehen werden können, die Ursache für schnelle Radioblitze sein könnten.

Die schnellen Radioblitze dauern nur Millisekunden und scheinen von außerhalb der Milchstraße zu kommen. Ihr Ursprung ist jedoch seit ihrer Entdeckung im Jahr 2007 in Geheimnisse gehüllt. Nun gibt es jedoch eine vorläufige Vermutung, dass die schnellen Radioblitze von stark magnetisierten Neutronensternen oder Magnetaren stammen könnten.

Die neue Entdeckung eines Teams, zu dem auch Forscher des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie und der Universität Manchester gehörten, ergab, dass Magnetare hinsichtlich ihrer Pulsstruktur und Rotation tatsächlich mit anderen sogenannten „radiostarken“ Neutronensternen verbunden sind.

Die Entdeckung ähnlicher „universeller Maßstäbe“ zwischen verschiedenen Arten von Neutronensternen lässt darauf schließen, dass Plasmaprozesse für diese Ausbrüche verantwortlich sein könnten. Das Team sagte außerdem, dass dies die Wissenschaftler dazu veranlasst, die in schnellen Radioblitzen beobachteten Strukturen als Ergebnis entsprechender Rotationsperioden zu interpretieren.

„Als wir begannen, die Strahlung von Magnetaren mit der von schnellen Radioblitzen zu vergleichen, erwarteten wir, Ähnlichkeiten zu finden, aber wir gingen nicht davon aus, dass dies für alle ‚radiostarken‘ Neutronensterne universell ist“, sagte Michael Kramer, Hauptautor des Artikels und Direktor des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie, in einer Erklärung.

Neutronenstern! Pulsar! Magnetar! Es ist unglaublich!

Neutronensterne entstehen, wenn massereichen Sternen der Brennstoff für die Kernfusion ausgeht. Wenn einem Stern der Brennstoff ausgeht, ist auch die Energie, die ihn durch den nach innen gerichteten Druck seiner eigenen Schwerkraft am Leben erhalten hat, verschwunden. Dies führt in der Folge dazu, dass die äußeren Schichten des Sterns weggesprengt werden, was wiederum zu einer gewaltigen Supernova-Explosion führt, während der Kern selbst kollabiert.

Dieser Kollaps setzt sich fort, bis die Elektronen und Protonen in der Region miteinander kollidieren und ein Meer aus neutronenreichem Material entsteht, das einen weiteren Kollaps des Sternkerns verhindert. Kommt es auf dieser Grundlage zu einem weiteren Kollaps, bildet der Kern schließlich ein Schwarzes Loch. Das Ergebnis des Kernkollaps-Prozesses ist ein Objekt, das etwa die Breite einer Stadt auf der Erde hat, also einen Durchmesser von etwa 20 Kilometern hat und mit unglaublich dichtem Material gefüllt ist.

Dies ist jedoch nicht die einzige extreme Eigenschaft, die einen Gravitationskollaps verursacht. So wie ein Schlittschuhläufer seine Arme anspannt, um sich schneller zu drehen, dreht sich der Kern eines Sterns, der einen Neutronenstern erzeugt, schneller, indem sein Radius abnimmt. Dieser Rotationsbeschleunigungsprozess kann erhebliche Auswirkungen auf den Kern haben. Beispielsweise können sich einige jüngere Neutronensterne bis zu 700 Mal pro Sekunde drehen. Würden sie Strahlungsstrahlen in Richtung Erde senden, würde man den schnell rotierenden Neutronenstern als Pulsar bezeichnen und der Vorgang wäre vergleichbar mit einem Leuchtturm, der Lichtstrahlen ins Universum aussendet. Neutronensterne, die sich Hunderte Male pro Sekunde drehen, werden Millisekundenpulsare genannt.

Während Pulsare für ihre periodischen Eigenschaften bekannt sind, handelt es sich bei ASTRS um Neutronensterne, die Radiowellen in einem sporadischeren und weniger regelmäßigen Muster aussenden.

Darüber hinaus „kollabieren“ bei diesem Kollaps die magnetischen Feldlinien im Kern des Sterns und bilden ein Magnetfeld, das 100 Milliarden Mal stärker ist als das Magnetfeld der Erde. Doch manche Neutronensterne haben sogar noch stärkere Magnetfelder als gewöhnliche Neutronensterne, nämlich mehr als tausendmal stärker. Diese werden Magnetare genannt.

Derzeit sind den Astronomen etwa dreißig Magnetare bekannt, von denen etwa sechs Radiowellen aussenden. Wissenschaftler spekulieren daher, dass schnelle Radioblitze von Magnetaren außerhalb der Milchstraße – extragalaktischen Magnetaren – stammen könnten.

Die Verbindung zwischen all den „radiointensiven“ Neutronensternen finden

Das Team untersuchte den Zusammenhang zwischen Magnetaren und FRBs, indem es einzelne Impulse von sechs bekannten Magnetaren im Detail untersuchte. Das Team nutzte das Radioteleskop Bad Münstereifel in Deutschland, eines der größten omnidirektionalen Radioteleskope der Erde, um die Substruktur der Impulse zu erkennen.

Zur Überraschung des Teams weisen schnell rotierende Millisekundenpulsare und autotransformierende transiente Radioquellen ähnliche Pulsstrukturen auf. Daraus schlossen sie, dass es eine universelle Skalierungsbeziehung zwischen der pulsierenden Struktur und der Rotationsperiode von Magnetaren und anderen Formen von Neutronensternen gibt, und zwar unabhängig davon, ob sich diese extremen Sterne alle paar Millisekunden oder etwa alle 100 Sekunden einmal drehen.

„Wir erwarten, dass Magnetare ihre Energie aus der Energie ihrer Magnetfelder beziehen, während andere Neutronensterne ihre Energie aus ihrer Rotationsenergie beziehen“, sagte Kuo Liu, Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Radioastronomie, in der Erklärung. „Manche sind sehr alt, manche sehr jung, aber es scheint, dass alle Neutronensterne dieser Regel folgen.“

Mit anderen Worten: Alle diese Radiowellen aussendenden Neutronensterne verhalten sich wie Magnetare. Dies lässt darauf schließen, dass der eigentliche Ursprung dieser Radiowellen bei allen Neutronensternen, die Radiowellen aussenden, derselbe ist.

„Wenn zumindest einige FRBs von Magnetaren stammen, könnte uns die Zeitskala der Substruktur in den Ausbrüchen Aufschluss über die Rotationsperiode der zugrunde liegenden Magnetarquelle geben. Wenn wir diese Periodizität in den Daten finden, wäre dies ein Meilenstein bei der Interpretation dieser Klasse von FRBs als Radioquellen“, sagte Ben Sappers, Forscher am Jochol Bank Center for Astrophysics, in der Erklärung.

Die Forschungsergebnisse des Teams wurden am 23. November 2023 in der Zeitschrift Nature Astronomy veröffentlicht.

VON: Robert Lea

FY: Kontinent

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