Neutronensternwechsel führt zu Gammastrahlenausbrüchen

M15 hat ein Doppelneutronensternsystem, das schließlich heftig verschmelzen wird. Bildnachweis: NOAO Zum Vergrößern anklicken
Gammastrahlen sind die stärksten Explosionen im Universum und senden riesige Mengen energiereicher Strahlung aus. Ihre Herkunft war jahrzehntelang ein Rätsel. Wissenschaftler glauben nun, die Prozesse zu verstehen, die Gammastrahlen erzeugen. Eine neue Studie von Jonathan Grindlay vom Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA) und seinen Kollegen Simon Portegies Zwart (Astronomisches Institut, Niederlande) und Stephen McMillan (Drexel University) legt jedoch eine zuvor übersehene Quelle für einige Gamma- nahe Strahlenausbrüche: Sternbegegnungen in Kugelhaufen.

"Bis zu einem Drittel aller beobachteten kurzen Gammastrahlenausbrüche können durch die Verschmelzung von Neutronensternen in Kugelhaufen verursacht werden", sagte Grindlay.

Gammastrahlen-Bursts (GRBs) gibt es in zwei verschiedenen „Geschmacksrichtungen“. Einige dauern bis zu einer Minute oder sogar länger. Astronomen glauben, dass diese langen GRBs erzeugt werden, wenn ein massereicher Stern in einer Hypernova explodiert. Andere Bursts dauern nur einen Bruchteil einer Sekunde. Astronomen theoretisieren, dass kurze GRBs aus der Kollision zweier Neutronensterne oder eines Neutronensterns und eines Schwarzen Lochs stammen.

Die meisten Doppelneutronensternsysteme resultieren aus der Entwicklung zweier massiver Sterne, die sich bereits gegenseitig umkreisen. Der natürliche Alterungsprozess führt dazu, dass beide zu Neutronensternen werden (wenn sie mit einer bestimmten Masse beginnen), die sich dann über Millionen oder Milliarden von Jahren zusammenspiralen, bis sie verschmelzen und einen Gammastrahlenausbruch auslösen.

Grindlays Forschung weist auf eine weitere potenzielle Quelle für kurze GRBs hin – Kugelsternhaufen. Kugelsternhaufen enthalten einige der ältesten Sterne des Universums, die nur wenige Lichtjahre breit sind. Solche engen Viertel provozieren viele enge Begegnungen mit Sternen, von denen einige zu Sternentausch führen. Wenn ein Neutronenstern mit einem Sternbegleiter (wie einem weißen Zwerg oder einem Hauptreihenstern) seinen Partner gegen einen anderen Neutronenstern austauscht, wird das resultierende Paar von Neutronensternen schließlich spiralförmig zusammenlaufen und explosionsartig kollidieren, wodurch ein Gammastrahlenausbruch entsteht.

"Wir sehen diese Vorläufersysteme, die einen Neutronenstern in Form eines Millisekundenpulsars enthalten, überall in Kugelhaufen", erklärte Grindlay. „Außerdem sind Kugelsternhaufen so dicht gepackt, dass Sie viele Interaktionen haben. Es ist ein natürlicher Weg, Doppel-Neutronenstern-Systeme herzustellen. "

Die Astronomen führten etwa 3 Millionen Computersimulationen durch, um die Häufigkeit zu berechnen, mit der sich Doppel-Neutronen-Stern-Systeme in Kugelhaufen bilden können. Sie wussten, wie viele sich im Laufe der Geschichte der Galaxie gebildet haben und wie lange es ungefähr dauert, bis ein System verschmilzt, und bestimmten dann die Häufigkeit kurzer Gammastrahlenausbrüche, die von Kugelhaufen-Binärdateien erwartet werden. Sie schätzen, dass zwischen 10 und 30 Prozent aller beobachteten kurzen Gammastrahlen-Bursts auf solche Systeme zurückzuführen sind.

Diese Schätzung berücksichtigt einen merkwürdigen Trend, der durch die jüngsten GRB-Beobachtungen aufgedeckt wurde. Es wird geschätzt, dass Fusionen und damit Bursts von sogenannten "Scheiben" -Neutronenstern-Binärdateien – Systeme, die aus zwei massiven Sternen bestehen, die sich zusammen gebildet haben und zusammen starben – 100-mal häufiger auftreten als Bursts von Kugelhaufen-Binärdateien. Die Handvoll kurzer GRBs, die genau lokalisiert wurden, stammen jedoch tendenziell aus galaktischen Lichthöfen und sehr alten Sternen, wie dies für Kugelhaufen zu erwarten ist.

"Hier gibt es ein großes Buchhaltungsproblem", sagte Grindlay.

Um die Diskrepanz zu erklären, schlägt Grindlay vor, dass Bursts von Festplatten-Binärdateien wahrscheinlich schwerer zu erkennen sind, da sie dazu neigen, Strahlung in engeren Explosionen zu emittieren, die aus weniger Richtungen sichtbar sind. Ein engeres „Strahlen“ kann durch kollidierende Sterne entstehen, deren Drehungen auf ihre Umlaufbahn ausgerichtet sind, wie dies für Binärdateien zu erwarten ist, die seit ihrer Geburt zusammen waren. Neu verbundene Sterne mit ihren zufälligen Ausrichtungen können beim Verschmelzen breitere Ausbrüche abgeben.

"Weitere kurze GRBs stammen wahrscheinlich von Festplattensystemen – wir sehen sie einfach nicht alle", erklärte Grindlay.

In letzter Zeit wurden nur etwa ein halbes Dutzend kurze GRBs von Gammastrahlensatelliten genau lokalisiert, was gründliche Studien schwierig macht. Je mehr Beispiele gesammelt werden, desto besser sollten die Quellen für kurze GRBs verstanden werden.

Das Papier, in dem dieser Befund angekündigt wurde, wurde in der Online-Ausgabe von Nature Physics vom 29. Januar veröffentlicht. Es ist online unter http://www.nature.com/nphys/index.html und in Preprint-Form unter http://arxiv.org/abs/astro-ph/0512654 verfügbar.

Das Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA) mit Hauptsitz in Cambridge, Massachusetts, ist eine gemeinsame Zusammenarbeit zwischen dem Smithsonian Astrophysical Observatory und dem Harvard College Observatory. CfA-Wissenschaftler, die in sechs Forschungsabteilungen unterteilt sind, untersuchen den Ursprung, die Entwicklung und das endgültige Schicksal des Universums.

Originalquelle: CfA-Pressemitteilung

Rate article
Schreibe einen Kommentar