Superschwergewicht und Fliegengewicht im kosmischen Tanz

Freiwilliges verteiltes Rechenprojekt Einstein@Home entdeckt Neutronenstern in außergewöhnlichem Doppelsternsystem

22. Oktober 2020

Nach mehr als zwei Jahrzehnten löst ein internationales Forschungsteam unter Leitung des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut; AEI) in Hannover das Rätsel um eine galaktische Gammastrahlenquelle: Es handelt sich um einen schweren Neutronenstern, den ein sehr leichter Begleiter umrundet. Mittels neuartiger Datenanalysemethoden, die auf rund 10.000 Grafikkarten im verteilten Rechenprojekt Einstein@Home liefen, wies das Team den Neutronenstern anhand seines regelmäßigen Gammastrahlenblinkens durch eine aufwändige Suche in Daten des Fermi-Satelliten der US-Raumfahrtbehörde NASA eindeutig nach. Das im Bereich der Radiowellen überraschenderweise vollkommen unsichtbare Doppelsternsystem wurde durch eine Beobachtungskampagne quer durch das elektromagnetische Spektrum aufgespürt und bricht einige Rekorde.

„Das Doppelsternsystem und der nun als PSR J1653−0158 bekannte Neutronenstern in dessen Herzen stellen neue Rekorde auf“, sagt Lars Nieder, Doktorand am AEI Hannover und Erstautor der heute in Astrophysical Journal Letters veröffentlichten Untersuchung. „Wir haben den galaktischen Tanz eines Superschwergewichtes mit einem Fliegengewicht entdeckt: Der Neutronenstern ist mit etwas mehr als dem Doppelten der Masse unserer Sonne außergewöhnlich schwer. Sein Begleiter hat zwar etwa die sechsfache Dichte von Blei aber gerade einmal ein Prozent der Masse unserer Sonne. Dieses seltsame Paar umrundet sich in nur 75 Minuten, schneller als alle vergleichbaren bekannten Doppelsterne.“

Darstellung des Doppelsternsystems mit dem Pulsar J1653–0158 (unten) im Vergleich zum Erde-Mond-System (oben). Bis auf den 450-fach vergrößert dargestellten Pulsar sind alle Objekte und Umlaufbahnen maßstäblich abgebildet. Das Doppelsternsystem mit einer Umlaufzeit von nur 75 Minuten ist nur wenig größer als das Erde-Mond-System.

Der Neutronenstern dreht sich mit mehr als 30.000 Umdrehungen pro Minute um die eigene Achse und zählt damit zu den am schnellsten rotierenden. Gleichzeitig ist sein – bei Neutronensternen in der Regel enorm starkes – Magnetfeld außergewöhnlich schwach. Möglich wurde diese Rekord-Entdeckung durch zwei wichtige Schritte.

So ließen sich mit astronomischen Beobachtungen aus dem Jahr 2014 Eigenschaften der Bahnen des Doppelsterns bestimmen. „Dass hinter der seit 1999 bekannten Gammastrahlenquelle ein Neutronenstern steckt, galt seit 2009 als wahrscheinlich. Seit 2014 war nach Beobachtungen des Systems mit optischen und Röntgenteleskopen klar, dass es sich sich um einen engen Doppelstern handelt. Doch alle Suchen nach dem Neutronenstern darin waren bislang vergeblich“, sagt Colin Clark vom Jodrell Bank Centre for Astrophysics, Koautor der Studie und ehemaliger Doktorand am AEI Hannover.

Um den Neutronenstern eindeutig nachzuweisen, muss nicht nur seine Radio- oder Gammastrahlung, sondern deren charakteristisches Pulsieren nachgewiesen werden. Die Eigendrehung des Neutronensterns ruft dieses regelmäßige Blinken hervor, ganz ähnlich zum periodischen Aufleuchten eines fernen Leuchtturms. Der Neutronenstern wird dann als Radio- bzw. Gammapulsar bezeichnet.

„In Doppelsystemen wie dem nun von uns entdeckten sind die Pulsare als ‚Schwarze Witwen‘ bekannt, weil sie wie die Spinnen gleichen Namens ihre Partner gewissermaßen verspeisen“, erklärt Clark. Er ergänzt: „Der Pulsar verdampft mit seiner Strahlung und einem Teilchenwind seinen Begleiter und erfüllt so das Sternsystem mit für Radiowellen undurchdringlichem Plasma.“

Gammastrahlung hingegen kann diese Plasmawolken nahezu ungehindert durchdringen. Das Large Area Telescope (LAT) an Bord des Fermi Gamma-ray Space Telescope der NASA zeichnet diese Strahlen auf.

Das Team verwendete die Daten aus dem Jahr 2014, weitere Beobachtungen mit dem William Herschel Telescope auf La Palma und die von der Mission Gaia genaue Himmelsposition, um die Rechenleistung des freiwilligen verteilten Projekts Einstein@Home gezielt und fokussiert einzusetzen. Dies lieferte außerdem ein vollständigeres Bild des Begleitsterns.

Der gesamte Himmel im Blick des Gammasatelliten Fermi und der nun von Einstein@Home entdeckte Gammapulsar. Die Felder unterhalb des vergrößerten Ausschnitts zeigen den Namen des Pulsars, einige seiner gemessenen Eigenschaften und die gemessenen Gammastrahlen-Pulsationen. Die Flaggen zeigen die Nationalitäten der Freiwilligen, deren Computer den Pulsar gefunden haben.

Die Forschenden verbesserten frühere Analysemethoden, die sie zu diesem Zweck entwickelt hatten und nutzten die Hilfe von rund zehntausend Einstein@Home-Freiwilligen, um etwa ein Jahrzehnt an Archiv-Daten des Fermi-LAT nach einem periodischen Pulsieren der Gammastrahlung zu durchsuchen. Die Freiwilligen spendeten dafür an Einstein@Home ungenutzte Rechenzeit auf den Grafikkarten (GPUs) ihrer Computer. In weniger als zwei Wochen machte das Team eine Entdeckung, die auf einem üblichen Computer mehrere Jahrhunderte Rechenzeit gekostet hätte.

„Wir haben ein sehr enges Doppelsternsystem gefunden. In der Mitte befindet sich der rund 20 Kilometer große Neutronenstern mit zweifacher Sonnenmasse. Er wird in gerade einmal 1,3-facher Erde-Mond-Entfernung vom Überrest eines Zwergsterns in nur 75 Minuten mit einer Geschwindigkeit von mehr als 700 Kilometer pro Sekunde umrundet“, erläutert Nieder. „Möglicherweise ist dieses ungewöhnliche Duo aus einem extrem engen Doppelsternsystem entstanden, in dem ursprünglich Materie vom Begleitstern auf den Neutronenstern floss, ihn schwerer machte, immer schneller rotieren ließ und dabei gleichzeitig sein Magnetfeld abschwächte.“

Das Team suchte nach der Identifikation des Gammapulsars mit den neu gewonnenen Kenntnissen über dessen Eigenschaften erneut nach seiner Radiostrahlung. Die Wissenschaftler konnten jedoch keine Spur davon finden, obwohl sie die größten und empfindlichsten Radioteleskope der Welt einsetzten. Damit ist PSR J1653–0158 erst der zweite schnell rotierende Pulsar, von dem keine Radiowellen empfangen werden. Dafür gibt es zwei mögliche Erklärungen: Entweder der Pulsar sendet keine oder außergewöhnlich schwache Radiowellen in Richtung Erde oder - wahrscheinlicher - umhüllt die Plasmawolke das Doppelsternsystem so lückenlos, dass keine Radio-Strahlung die Erde erreicht.

In einem weiteren Schritt durchsuchte die Gruppe die Daten der Advanced-LIGO-Detektoren aus derem ersten und zweiten Beobachtungslauf nach möglichen Gravitationswellen, die der Neutronenstern abstrahlen würde, wenn er leicht verformt wäre. Auch hier blieb die Suche erfolglos.

„Im Katalog der vom Fermi-Satelliten gefundenen Gammastrahlenquellen gibt es noch Dutzende mehr, bei denen ich wetten würde, dass in ihnen Pulsare in Doppelsternsystemen stecken“, sagt Bruce Allen, Direktor am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Hannover und Direktor und Gründer von Einstein@Home. „Doch bisher hat niemand es geschafft, das charakteristische Pulsieren ihres Gammalichts nachzuweisen. Mit Einstein@Home wollen wir genau das schaffen – wer weiß, welche weiteren Überraschungen uns dabei noch erwarten?“

Hintergrundinformationen

Wer hat die Entdeckung gemacht? Die Entdeckung wurde durch Zehntausende von Einstein@Home-Freiwilligen ermöglicht, die ihre GPU-Rechenzeit für das Projekt zur Verfügung gestellt haben. Ohne sie hätte diese Studie nicht durchgeführt und diese Entdeckung nicht gemacht werden können. Das Team ist besonders denjenigen Freiwilligen dankbar, deren Computer den Pulsar entdeckt haben: Yi-Sheng Wu aus Taoyuan, Taiwan und Daniel Scott aus Ankeny, Iowa, USA.

Neutronensterne sind kompakte Überreste von Supernova-Explosionen und bestehen aus exotischer, extrem dichter Materie. Sie haben einen Durchmesser von etwa 20 Kilometer und mehr Masse als unsere Sonne. Wegen ihrer starken Magnetfelder und ihrer schnellen Rotation senden sie gebündelte Radiowellen und energiereiche Gammastrahlung aus, ähnlich wie ein kosmischer Leuchtturm. Treffen diese Strahlen während der Rotation des Neutronensterns auf die Erde, wird dieser als pulsierende Radio- oder Gammastrahlenquelle sichtbar – ein so genannter Pulsar.

Einstein@Home ist ein freiwilliges verteiltes Rechenprojekt und verbindet Computer und Smartphones von Freiwilligen aus der ganzen Welt. Diese spenden ungenutzte Rechenzeit auf ihren Geräten. Bis jetzt haben mehr als 479.000 Freiwillige Rechenarbeit beigetragen, was Einstein@Home zu einem der größten Projekte dieser Art macht. Die derzeitige Gesamtrechenleistung, die von etwa 34.000 Computern von 22.000 aktiven Freiwilligen beigesteuert wird, beträgt etwa 5,7 petaFLOPS.

Seit 2005 sucht Einstein@Home in Daten der LIGO- und Virgo-Gravitationswellendetektoren nach Gravitationswellen von unbekannten, schnell rotierenden Neutronensternen. Seit März 2009 ist Einstein@Home auch an der Suche nach Signalen von Radiopulsaren in Daten des Arecibo-Radioteleskops in Puerto Rico und des Parkes- Radioteleskops in Australien beteiligt. Seit der ersten Entdeckung eines Radiopulsars durch Einstein@Home im August 2010 hat das globale Computernetzwerk 55 neue Radiopulsare entdeckt. Die Einstein@Home-Suche nach Gammastrahlen-Pulsaren in Daten des Fermi-Satelliten begann im August 2011. Bis heute hat sie 25 neue Gammastrahlen-Pulsare entdeckt.

Wissenschaftliche Unterstützer sind das Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut, Hannover) und das Center for Gravitation and Cosmology an der University of Wisconsin-Milwaukee mit finanzieller Unterstützung der National Science Foundation und der Max-Planck-Gesellschaft.

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