Forschungsbericht 2020 - Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik, Teilinstitut Hannover

Einstein@Home entdeckt Schwarze-Witwe-Pulsar

Einstein@Home discovers black widow pulsar

Autoren
Nieder, Lars
Abteilungen
Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik, Teilinstitut Hannover, Hannover
Zusammenfassung
Das Rätsel um eine seit zwei Jahrzehnten bekannte Gammastrahlenquelle ist endlich gelöst. Ein extrem schnell rotierender Neutronenstern in einem Doppelsternsystem sendet die Gammastrahlung aus. Für diese Entdeckung wurden 10 Jahre an Daten des Fermi-Satelliten der NASA mithilfe des verteilten Rechenprojekts Einstein@Home durchsucht. Das intensive Studium dieses Neutronensterns und seines Begleiters anhand von Gammadaten und optischen Beobachtungen offenbart ein Doppelsternsystem der Extreme. Vom Begleitstern abgedampftes Material blockiert vermutlich die Radiostrahlung des Neutronensterns.
Summary
The mystery of a gamma-ray source known for two decades has finally been solved. An extremely rapidly rotating neutron star in a binary system is the source of the gamma rays. For this discovery, 10 years of gamma-ray data from NASA’s Fermi Gamma-ray Space Telescope has been analysed, using the distributed volunteer computing project Einstein@Home. The thorough study of this neutron star and its companion using gamma-ray data and optical observations reveals a truly extreme binary system. Material evaporated from the companion star likely blocks radio waves from the neutron star.

Neutronensterne

Wenn einem Stern zum Ende seines Lebens der Brennstoff ausgeht, stößt er seine äußeren Schichten in einer Supernova-Explosion ab. Sein Kernbereich hingegen fällt unter der eigenen Schwerkraft in sich zusammen. Ist der ursprüngliche Stern nicht zu massereich, entsteht aus dem Kern ein Neutronenstern. Diese Objekte bestehen aus extrem dichter und teilweise exotischer Materie, haben Durchmesser von rund 20 Kilometern und sind schwerer als die Sonne.

Mehr als 2800 Neutronensterne wurden bisher als Pulsare entdeckt. Rotierende Neutronensterne senden von ihren magnetischen Polen gebündelte Strahlung über weite Teile des elektromagnetischen Spektrums aus. Rotiert der Neutronenstern und überstreichen seine Strahlungsbündel die Erde, blinkt er aus irdischer Perspektive wie ein kosmischer Leuchtturm. Die große Mehrheit der bekannten Pulsare ließ sich im Radiobereich aufspüren. Doch bei mittlerweile 250 Pulsaren gelang dies auch anhand ihrer hochenergetischen Gammastrahlung.

Gammapulsare

Für die Beobachtung von Gammapulsaren kommen Daten des Gammateleskops an Bord des Fermi-Satelliten der NASA zum Einsatz. Mit einer relativ kleinen Sammelfläche von nur einem Quadratmeter empfängt es von typischen Gammapulsaren nur einmal pro Tag ein Photon. Das Blinken im Gammabereich zu finden, ist daher sehr aufwändig, wenn vorab nicht bereits aus Radiobeobachtungen bekannt ist, wie schnell der Pulsar rotiert. Der Grund: typische Pulsare drehen sich in der Zeit zwischen der Messung zweier Gammaphotonen durch das Gammateleskop millionenfach um die eigene Achse. Zudem ändert sich der Abstand zwischen Erde und Pulsar durch die Bahnbewegung der Erde um die Sonne. Durch diese Abstandsänderungen und die endliche Lichtgeschwindigkeit verändert sich der Zeitraum zwischen zwei eintreffenden Pulsen. Hat der Pulsar einen Begleitstern, verkompliziert die daraus resultierende Eigenbewegung des Pulsars mit denselben Folgen wie die Erdbewegung die Suche weiter.

Um einen solchen Gammapulsar mit Begleitstern zu entdecken, müssen wir die Eigenschaften bestimmen, die den Neutronenstern und das Doppelsternsystem beschreiben. Dafür haben wir neue Methoden entwickelt, mit denen sich diese Parameter systematisch und möglichst recheneffizient durchtesten lassen. Können wir den Begleitstern im sichtbaren Licht beobachten, so lassen sich die Suchbereiche für einige Parameter zusätzlich vorab eingrenzen.

Schwarze-Witwen-Pulsare

Abb.1: Der gesamte Himmel im Blick des Gammasatelliten Fermi und der von Einstein@Home entdeckte Gammapulsar. Die Felder unterhalb der vergrößerten Ausschnitte zeigen den Namen des jeweiligen Pulsars, einige seiner gemessenen Eigenschaften und die gemessenen Gammastrahlen-Pulsationen. Die Flaggen zeigen die Nationalitäten der Freiwilligen, deren Computer die Pulsare gefunden haben.  © Knispel/Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik/NASA/DOE/Fermi LAT Collaboration

 

In engen Doppelsternsystemen erhitzen die Pulsare durch ihre starke Strahlung manche Begleitsterne stark auf der ihnen zugewandten Seite. Dadurch verdampft Material von der Oberfläche des Begleiters, der sich dadurch langfristig vollständig auflösen kann. Daher stammt auch der Spitzname solcher Objekte: Schwarze-Witwe-Pulsare. Schwarze Witwen sind Spinnen, deren größeres Weibchen nach der Paarung das Männchen tötet und verspeist.

Dass der Pulsar-Begleiter einseitig heißer ist, lässt sich mit Teleskopen im sichtbaren Licht beobachten und dazu nutzen, bestimmte Eigenschaften des Doppelsterns wie die Umlaufdauer zu messen.

Hinter einer seit 20 Jahren bekannten Gammastrahlen-Quelle in Richtung des Sternbilds Schlangenträger wurde seit langem ein Doppelstern mit Pulsar vermutet. Deswegen gab es genau solche Beobachtungen optischer Teleskope mit deren Hilfe wir unsere Suche in den Fermi-Daten auf bestimmte Bereiche einschränken konnten. Dennoch mussten wir noch 1017 (also Hundert Millionen Milliarden) verschiedene Parameter-Kombinationen ausprobieren, um mögliche Pulsationen aufzuspüren.

Einstein@Home

Eine solche Suche würde auf einem normalen Computer selbst im günstigsten Fall immer noch mehr als 50 Jahre dauern. Deshalb nutzten wir die immense Rechenleistung des freiwilligen verteilten Rechenprojekts Einstein@Home. Hier wird brachliegende Rechenzeit auf Heimcomputern genutzt. Die Suche wird dazu in kleinere Datenpakete unterteilt, die dann die Heimcomputer der Freiwilligen durchführen. Mit diesem weltweit verteilten Supercomputer war unsere Suche binnen knapp zwei Wochen erledigt (Abbildung 1).

Ein außergewöhnlicher Pulsar

Abb. 2: 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. © Knispel/Clark/Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik/NASA

Der Neutronenstern PSR J1653-0158, den wir in dieser Suche gefunden haben, und das Doppelsternsystem in dem er sich befindet, sind in vielerlei Hinsicht besonders (Abbildung 2). Zusammen mit Beobachtungen des Begleitsterns im sichtbaren Licht und dem Studium des Pulsars anhand seiner Gammastrahlung konnten wir viele Eigenschaften ermitteln. Der Pulsar dreht sich mehr als 500-mal pro Sekunde um die eigene Achse und weist eine Masse auf, die doppelt so groß ist wie die unserer Sonne. Der langsam verdampfende Begleiter besitzt nur etwa ein Prozent der Sonnenmasse, ist aber sechsmal dichter als Blei. Dieses sehr ungleiche Paar umkreist sich in nur 75 Minuten und damit schneller als alle vergleichbaren Systeme. Weiterhin konnten wir aus den Langzeitbeobachtungen ableiten, dass das Magnetfeld des Pulsars zwar vielfach stärker als alle künstlich auf der Erde hergestellten Magnetfelder, für einen Neutronenstern aber außergewöhnlich schwach ist.

Suche nach Radiowellen

Nachdem wir den Gammapulsar auf diese Weise genau charakterisiert hatten, suchten wir erneut und sehr gründlich nach Radiostrahlung. Doch obwohl wir einige der größten und empfindlichsten Radioteleskope nutzten, konnten wir keine Radiowellen nachweisen. Der wahrscheinlichste Grund dafür ist, dass das vom Begleitstern abgedampfte Material die Radiowellen verschluckt. Für die hochenergetische Gammastrahlung hingegen stellt es kein Hindernis dar.

PSR J1653-0158 ist erst der zweite schnell rotierende Pulsar, der sich nicht im Radiobereich beobachten lässt. Seine Entdeckung legt nahe, dass es weitere spannende Pulsare wie diesen in unserer Galaxis gibt, die wir nur anhand ihrer Gammastrahlung entdecken können. Wir sind daher zuversichtlich, dass wir zukünftig mit unseren Methoden weitere bislang unerkannte Pulsare in Doppelsternsystemen finden werden.

Literaturhinweise

1.
Nieder, L.; Allen, B.; Clark, C. J.; Pletsch, H. J.
Exploiting Orbital Constraints from Optical Data to Detect Binary Gamma-Ray Pulsars
The Astrophysical Journal, 901(2), 156 (2020)
2.
Nieder, L.; Clark, C. J. et al.
Discovery of a Gamma-Ray Black Widow Pulsar by GPU-accelerated Einstein@Home
The Astrophysical Journal Letters, 902(2), L46 (2020)
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