Neue Fortschritte bei der Erforschung des „Black Widow“-Pulsars: Ein Leuchtturm im Universum? Oder ein blutrünstiger Killer?

Vielleicht kennen Sie die schöne und kaltblütige „Schwarze Witwe“ aus dem Film oder Sie kennen die „Schwarze Witwe“, eine der weltberühmten giftigen Spinnen, die im Dschungel lebt. Aber wussten Sie, dass es am Sternenhimmel über unseren Köpfen auch eine „Schwarze Witwe“ gibt? Es handelt sich dabei weder um Sternbilder noch um außerirdische Monster, sondern um eine besondere Art von Himmelskörpern, die von Astronomen im Universum entdeckt wurden.

Im Jahr 1988 entdeckten Fruchter und seine Kollegen mit dem berühmten Arecibo-Radioteleskop einen seltsamen Millisekundenpulsar PSR B1957+20. Die Strahlung und die hochenergetischen Teilchenwinde, die von seinen Polen ausgestoßen werden, erhitzen und verdampfen seinen Begleitstern, wobei ständig Materie von seiner Oberfläche abgetragen wird und dessen Masse allmählich abnimmt. Fantasievolle Astronomen entdeckten, dass dieses Verhalten dem einer Schwarzen Witwe ähnelte, die ihren Partner nach der Paarung zerstückelt, und nannten diesen Pulsar daher „Schwarze Witwe“.

Schematische Darstellung des Black Widow-Pulsars

(Bildnachweis: NASA)

Wie „schwarz“ ist der Pulsar „Schwarze Witwe“? Nehmen wir beispielsweise PSR J1719-1438: Die Masse seines Begleitsterns beträgt nur ein Tausendstel der Masse der Sonne, was im Sonnensystem der Masse des Jupiters entspricht. Dies zeigt, dass diese „Schwarze Witwe“ ihren Begleitstern von einem Stern in einen Planeten verwandelte und ihn damit direkt um eine Ebene herabstufte!

Wer hat eine so grausame und blutrünstige „Schwarze Witwe“ erschaffen? Lassen Sie uns den Stammbaum der Sterne durchsehen und seine Geschichte herausfinden.

Ich möchte hier hinzufügen, dass es im Universum Cousins ​​des Schwarzen Witwen-Spinnenpulsars gibt – Red Back Pulsare. Auch die Rotrückenspinne ist eine hochgiftige Spinne. Die Umlaufzeiten dieser beiden Pulsartypen betragen beide weniger als einen Tag, und der Unterschied liegt in der Masse des Begleitsterns. Der Begleitstern eines Schwarzen Witwenpulsars hat eine Masse von weniger als 5 Prozent der Sonne, während der Begleitstern eines Rotrückenpulsars eine Masse zwischen einem Zehntel und einem Einfachen der Sonnenmasse hat.

Wo wurden Sie geboren?

Wir wissen, dass ein Stern, dessen Masse mehr als das Zehnfache der Sonnenmasse beträgt, im letzten Stadium seiner Entwicklung eine Supernova-Explosion erfährt und dabei einen Neutronenstern mit einem Radius von 15 Kilometern und einem extrem starken Magnetfeld bildet. Im Allgemeinen ist der Stern zu diesem Zeitpunkt dabei, sein strahlendes Leben zu beenden, da ihm kein Kernbrennstoff mehr zur Verfügung steht, um sein Licht auszusenden. Was ihn erwartet, ist die allmähliche Auslöschung des Universums.

Supernova-Diagramm

(Bildnachweis: NASA)

Der Neutronenstern im Doppelsternsystem versteht es jedoch, „das Nützliche zu nehmen“ und kann sein Schicksal ändern. Er verlässt sich auf seine starke Schwerkraft, um Materie von seinem Begleitstern abzustreifen und seine eigene Masse zu erhöhen (ein Prozess, der Akkretion genannt wird). Während die abgelöste Materie auf die Oberfläche des Neutronensterns fällt, strahlt sie Röntgenstrahlen aus. Auf diese Weise wird der Neutronenstern wiedergeboren und kann seine Tätigkeit als Röntgenquelle im Universum fortsetzen. Während dieser Zeit gewinnt der Neutronenstern an Drehimpuls, indem er Materie vom Begleitstern ansammelt und so seine eigene Rotationsgeschwindigkeit erhöht, bis er schließlich zu einem Millisekundenpulsar mit einer Rotationsperiode von nur wenigen Millisekunden wird. Durch die kombinierte Wirkung der Hochgeschwindigkeitsrotation und des starken Magnetfelds des Pulsars werden geladene Teilchen auf der Oberfläche beschleunigt, wodurch elektromagnetische Strahlung und hochenergetische Teilchenwinde erzeugt werden. Wenn sein Begleitstern Pech hat und unglücklicherweise von dieser Strahlung erfasst wird, entsteht ein Doppelsternsystem vom Typ „Schwarze Witwe“.

Ich möchte hier noch hinzufügen, dass Pulsare eine Art schnell rotierender Neutronensterne sind. Wenn der Strahl eines Pulsars über die Erde streicht, können wir mit einem Teleskop das Pulssignal des Pulsars aufzeichnen. Aufgrund der stabilen Rotation von Pulsaren weist das Pulssignal eine Periode auf, die der des menschlichen „Pulses“ ähnelt und von Zeit zu Zeit flackert, wie ein Leuchtturm, der den Menschen im Dunkeln den Weg weist. Daher werden Pulsare auch als „kosmische Leuchttürme“ bezeichnet.

Schematische Darstellung eines Pulsars

(Bildquelle: https://outreach.atnf.csiro.au/)

Wohin reisen?

Wird also der Begleitstern des Black Widow-Pulsars nach längerer Verdampfung durch die Pulsstrahlung vollständig verschwinden und nur ein isolierter Millisekundenpulsar in diesem Doppelsternsystem übrig bleiben? Sehr wahrscheinlich! Tatsächlich haben Astronomen mehrere hundert isolierte Millisekundenpulsare entdeckt, die etwa ein Drittel der Gesamtzahl der Millisekundenpulsare ausmachen.
Frühere Studien haben gezeigt, dass ein Black-Widow-Pulsar sehr lange braucht, um seinen Begleitstern vollständig zu zerstören, was sogar länger ist als das Alter des Universums. Es scheint, dass das traditionelle Schwarze-Witwen-Modell keine isolierten Millisekundenpulsare bilden kann.

Kürzlich konstruierten Forscher des Yunnan-Observatoriums eine Art Schwarze-Witwen-Pulsarsystem, indem sie das Modell eines Pulsars verwendeten, der Heliumsterne verdampft. Ihre Berechnungen zeigen, dass der Begleitstern in relativ kurzer Zeit auf eine extrem geringe Masse reduziert werden kann, nämlich auf ein Tausendstel oder sogar ein Hunderttausendstel der Sonnenmasse. Zu diesem Zeitpunkt wird der Begleitstern von Black Widow durch die Schwerkraft des Pulsars auseinandergerissen. Der Schwarze-Witwen-Pulsar wird letztendlich ein einsamer Millisekundenpulsar sein. Aber zerstören alle Schwarze-Witwen-Pulsare ihre Begleitsterne vollständig? Dieses Problem muss weiter untersucht werden.

Abschluss

Dies ist der Black Widow Pulsar. Sein Begleiter wird durch seine Zerstörung allmählich schwächer und verschwindet sogar von dieser Welt. Aber aus unserer entfernten Perspektive ist es ein Leuchtfeuer im dunklen Universum. Wenn die Menschheit in Zukunft plant, sich von der Erde zu entfernen und nach neuen bewohnbaren Zonen zu suchen, muss sie einen beträchtlichen Abstand zu diesen „Leuchttürmen“ einhalten, denn sie verfolgen die Strategie, „sich mit den Fernen anzufreunden und die Nahen anzugreifen“. Wenn Sie näher herangehen, werden Sie feststellen, dass es sich bei diesen „Leuchttürmen“ tatsächlich um Schwarze Witwen handelt, die bereit sind, alle „Bettgenossen“ neben ihnen in Stücke zu reißen.

Chinas Himmelsauge

(Fotoquelle: Website der chinesischen Regierung)

Seit 2016 hat das in Guizhou ansässige Sky Eye FAST meines Landes mehr als 660 Pulsare entdeckt und herausragende Erfolge erzielt, darunter auch einige Schwarze Witwenpulsare. Vielleicht sollten wir auch von Zeit zu Zeit wie der FAST-Kessel in den Himmel schauen und vielleicht entdecken wir einige neue „Arten“!

Quellen:

[1] Bhattacharyya S., Papitto A., Bhattacharya D., 2022, ASSL, 465, 319

[2] Guo Y., Wang B., Han Z., 2022, MNRAS, 515, 2725

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Guo Yunlang (Yunnan Astronomical Observatory, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Hersteller: China Science Expo