Astronomen kartieren die Oberfläche eines Pulsars

Wenn Sterne ihren Treibstoffvorrat erschöpfen, fallen sie unter ihrem eigenen Gewicht zusammen und explodieren, wobei sie bei einem als „Supernova“ bekannten Ereignis ihre äußeren Schichten abblasen. In einigen Fällen hinterlassen diese Ereignisse Neutronensterne, die kleinsten und dichtesten Sternobjekte (mit Ausnahme bestimmter theoretischer Sterne), die sich manchmal schnell drehen. Pulsare, eine Klasse von Neutronensternen, können sich bis zu mehreren hundert Mal pro Sekunde drehen.

Ein solches Objekt mit der Bezeichnung J0030 + 0451 (J0030) befindet sich etwa 1.100 Lichtjahre von der Erde entfernt im Sternbild Fische. Kürzlich konnten Wissenschaftler, die den Neutronenstern Interior Composition Explorer (NICER) der NASA verwendeten, die Größe und Masse des Pulsars messen. Dabei gelang es ihnen auch, die verschiedenen „Hot Spots“ auf ihrer Oberfläche zu lokalisieren und so die erste Karte eines Neutronensterns zu erstellen.

Seit 2017 führt NICER Beobachtungen von der Internationalen Raumstation (ISS) durch, um zu lernen, was in einem Neutronenstern vor sich geht. Neben hochpräzisen Messungen von Neutronensternen und anderen superdichten Objekten werden die gesammelten Daten auch dazu verwendet, eine Röntgenkarte des Kosmos zu erstellen und Pulsare als mögliches Navigationssignal zu testen.

Wie Paul Hertz, der Direktor der Astrophysikabteilung der NASA, kürzlich in einer Pressemitteilung der NASA sagte:

„Von seinem Platz auf der Raumstation aus revolutioniert NICER unser Verständnis von Pulsaren. Pulsare wurden vor mehr als 50 Jahren als Leuchtfeuer von Sternen entdeckt, die in dichten Kernen zusammengebrochen sind und sich anders verhalten als alles, was wir auf der Erde sehen. Mit NICER können wir die Natur dieser dichten Überreste auf eine Weise untersuchen, die bisher unmöglich schien. “

Seit Jahrzehnten untersuchen Wissenschaftler Pulsare in der Hoffnung, ihr Innenleben besser verstehen zu können. Nach dem einfachsten Modell haben Pulsare unglaublich starke Magnetfelder in Form eines Dipolmagneten. In Kombination mit der Rotation des Pulsars werden Partikel von seiner Oberfläche zu engen Strahlen fokussiert, die von den Polen emittiert werden. Dies erzeugt einen starken Stroboskopeffekt, der den Beobachtern einem Leuchtturm ähnelt.

Dieser Effekt führt zu Schwankungen der Pulsarhelligkeit (in der Röntgenwellenlänge), die Astronomen in der Vergangenheit beobachtet haben. Gleichzeitig haben Astronomen auch Hotspots auf der Oberfläche von Pulsaren beobachtet, die das Ergebnis ihrer Magnetfelder sind, die Partikel von der Oberfläche reißen und sie um die Pole herum anreichern. Während die gesamte Oberfläche in Röntgenstrahlen hell leuchtet, leuchten diese Hot Spots heller.

Die neuen NICER-Studien zu J0030 (einem Millisekunden-Pulsar, der sich 205 Mal pro Sekunde dreht) haben jedoch gezeigt, dass Pulsare nicht so einfach sind. Unter Verwendung von NICER-Daten, die von Juli 2017 bis Dezember 2018 erhalten wurden, kartierten zwei Gruppen von Wissenschaftlern die Hotspots auf J0030 und kamen zu ähnlichen Ergebnissen hinsichtlich seiner Masse und Größe.

Das erste Team wurde von Thomas Riley und seiner Betreuerin Anna Watts geleitet, einer Doktorandin in Computerastrophysik und Professorin für Astrophysik an der Universität von Amsterdam. Um die beobachteten Röntgensignale nachzubilden, führten Riley und seine Kollegen mit dem niederländischen Supercomputer Cartesius Simulationen überlappender Kreise unterschiedlicher Größe und Temperatur durch.

Sie stellten nicht nur fest, dass J0030 etwa 1,3 Sonnenmassen und 25,4 km breit ist, sondern identifizierten auch zwei Hot Spots – einen kleinen und kreisförmigen, einen langen und sichelförmigen. Das zweite Team unter der Leitung von Astronomieprofessor Cole Miller von der University of Maryland führte ähnliche Simulationen mit dem UMD-Supercomputer Deepthought2 durch.

Sie fanden heraus, dass J0030 1,4 Sonnenmassen hat, 26 km breit ist und entwickelten zwei Lösungen für Hotspots. Im ersten identifizierten sie zwei mögliche Hotspots, von denen einer zwei Ovale aufweist, die eng mit den Ergebnissen von Rileys Team übereinstimmen. Im zweiten fanden sie einen möglichen dritten Hotspot um den südlichen Rotationspol des Pulsars.

Wie Riley erklärte, enthüllten diese Ergebnisse viel über J0030 und andere Pulsare:

„Als wir mit der Arbeit an J0030 begannen, war unser Verständnis für die Simulation von Pulsaren unvollständig und ist es immer noch. Dank der detaillierten Daten, Open-Source-Tools, Hochleistungscomputern und der hervorragenden Teamarbeit von NICER haben wir jetzt einen Rahmen für die Entwicklung realistischerer Modelle dieser Objekte. “

Wie von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie vorhergesagt, ist ein Pulsar so dicht, dass seine Schwerkraft das Gewebe der Raumzeit um ihn herum verzerrt. Der Effekt ist so ausgeprägt, dass Licht, das von der vom Betrachter abgewandten Seite kommt, gebogen und auf ihn gerichtet wird. Dadurch sieht der Stern größer aus als er wirklich ist, und Hot Spots verschwinden nicht vollständig, wenn sie sich vom Betrachter weg drehen.

Dank der Präzision von NICER, die etwa 20-mal so hoch ist wie bei früheren Instrumenten, können Astronomen die Ankunft jedes Röntgenstrahls von einem Pulsar auf besser als hundert Nanosekunden messen. Von der Erde aus hatten die beiden Teams freie Sicht auf die nördliche Hemisphäre von J0030 und erwarteten, dort einen Hotspot zu finden. Stattdessen identifizierten sie bis zu drei, die sich alle auf der südlichen Hemisphäre befanden.

Wie Miller erklärte, wären diese Beobachtungen ohne die Präzision von NICER nicht möglich gewesen:

„Dank der beispiellosen Röntgenmessungen von NICER konnten wir die bisher genauesten und zuverlässigsten Berechnungen der Größe eines Pulsars mit einer Unsicherheit von weniger als 10% durchführen. Das gesamte NICER-Team hat einen wichtigen Beitrag zur Grundlagenphysik geleistet, der in terrestrischen Labors nicht untersucht werden kann. “

Dies ist der erste Fall von Astronomen, die die Oberfläche eines Pulsars abbilden, und die Ergebnisse zeigen, dass ihre Magnetfelder komplizierter sind, als das traditionelle Dipolmodell vermuten lässt. Während Wissenschaftler noch nicht herausgefunden haben, warum die Spots von J0030 so angeordnet und geformt sind, wie sie sind, deuten diese Ergebnisse darauf hin, dass diese Antworten in Reichweite sein könnten.

Noch beeindruckender ist die Tatsache, dass zwei Teams unabhängig voneinander zu ähnlichen Ergebnissen kamen. Als Zaven Arzoumanian erklärte der NICER-Wissenschaftsführer im Goddard Space Flight Center der NASA:

„Es ist bemerkenswert und auch sehr beruhigend, dass die beiden Teams mit unterschiedlichen Modellierungsansätzen so ähnliche Größen, Massen und Hot-Spot-Muster für J0030 erzielt haben. Es zeigt uns, dass NICER auf dem richtigen Weg ist, um eine dauerhafte Frage in der Astrophysik zu beantworten: Welche Form nimmt Materie in den ultradichten Kernen von Neutronensternen an? “

Als Teil des Astrophysics Mission of Opportunity-Elements des Explorers-Programms der NASA besteht das wissenschaftliche Hauptziel von NICER darin, die Größe und Masse mehrerer Pulsare genau zu messen. Diese Informationen liefern wertvolle Hinweise darauf, was sich in ihrem Inneren abspielt, wo Materie auf Dichten komprimiert wird, die in Labors hier auf der Erde nicht simuliert werden können.

Diese Informationen werden auch dazu beitragen, das Verständnis der Astronomen für Schwarze Löcher und andere superdichte Objekte zu verbessern. Die Analyse der NICER-Beobachtungen von J0030 hat bereits zu einer Reihe von Artikeln geführt, die in einer Schwerpunktausgabe von vorgestellt werden Die astrophysikalischen Tagebuchbriefe.

Schauen Sie sich unbedingt dieses Video an, in dem auch die Ergebnisse der Forscher mit freundlicher Genehmigung der NASA Goddard erläutert werden:

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