Extreme Leuchtturmsterne spicken die Milchstraße

Forschende entdecken hunderte neue Gammapulsare

28. November 2023

Ein internationales Team der Astronomie hat einen neuen Katalog mit 294 Pulsaren, die Gammastrahlung abgeben, veröffentlicht. Sie haben diese Gammapulsare und 34 noch nicht bestätigte Kandidaten in Daten des Fermi Gamma-ray Space Telescope der Nasa entdeckt. Damit sind 27-mal so vieler solcher Objekte wie beim Start der Mission im Jahr 2008 bekannt. Forschende des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut) in Hannover haben 53 Pulsare zu diesem Katalog beigetragen. Bei den Entdeckungen halfen ihnen neuartige Datenanalysemethoden, das Projekt der Bürgerwissenschaft Einstein@Home sowie der Großrechner Atlas.

„Allein die Anzahl von fast 300 Gammapulsaren ist eine fantastische Leistung und unterstreicht die wichtige Rolle, die das Fermi Gamma-ray Space Telescope spielt, seit es begonnen hat, unser Universum zu beobachten“, sagt Colin Clark, Mitautor der Studie und Gruppenleiter am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut) in Hannover. „Jeder sechste Gammapulsar im Katalog wurde von Forschenden unseres Instituts entdeckt.“

Indem sie Pulsare beobachten, ermöglichen Astronominnen und Astronomen auch Untersuchungen in anderen Bereichen der Astronomie, darunter die Suche nach Gravitationswellen und dunkler Materie oder sie fördern das Verständnis kosmischer Strahlung und der Sternentwicklung. Der Katalog, der jetzt veröffentlicht wurde, enthält umfassende Informationen über alle 294 bekannten Gammapulsare und 34 Gammapulsar-Kandidaten.

Kosmische Leuchttürme

Pulsare sind besondere Neutronensterne: Sie sind die Überreste massereicher Sonnen, die als Supernova explodiert und so groß wie eine Stadt sind. In einer Kugel mit weniger als 27 Kilometer Durchmesser enthalten sie mehr Masse als unsere Sonne. Neutronensterne haben starke Magnetfelder, erzeugen Winde von energiereichen Teilchen und drehen sich schnell – bis zu 700 Mal pro Sekunde. Pulsare senden auch schmale Energiekegel aus, die wie das Licht von Leuchttürmen den Weltraum überstreichen, während die Objekte rotieren. Wenn diese Strahlen die Erde streifen, beobachten Teleskope Energiepulse.

Der neue Katalog ist das Ergebnis der Arbeit von 170 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern aus der ganzen Welt. Von den 300 Pulsaren, die in dem Katalog aufgeführt sind, haben Forschende des AEI Hannover 53 entdeckt. Mithilfe des Einstein@Home-Projekts und des Großrechners Atlas des Instituts haben sie auch Gammapulsare aufgespürt. Dies erforderte Millionen Stunden an Computerrechenzeit – ein Prozess, der als Blindsuche bezeichnet wird.

Diese Visualisierung zeigt die 294 Gammapulsare im neuen Fermi-Pulsar-Katalog, zunächst auf einem Bild des gesamten Sternenhimmels aus irdischer Sicht und dann im Übergang zu einer Ansicht von oberhalb unserer Galaxie, der Milchstraße.

Fermis Pulsar-Himmel

Diese Visualisierung zeigt die 294 Gammapulsare im neuen Fermi-Pulsar-Katalog, zunächst auf einem Bild des gesamten Sternenhimmels aus irdischer Sicht und dann im Übergang zu einer Ansicht von oberhalb unserer Galaxie, der Milchstraße.
https://www.youtube.com/watch?v=ZlhL5fnC6VY

Das Rechenprojekt Einstein@Home stellt als Projekt der Bürgerwissenschaften die nötige Rechenleistung zur Verfügung, indem es zehntausende Privatrechner aus der ganzen Welt zu einem globalen Supercomputer verbindet. Der Katalog enthält auch die neuesten 14 Gammapulsare, die Einstein@Home gefunden hat. Einzelheiten zu ihrer Entdeckung werden in einem demnächst erscheinenden Fachartikel veröffentlicht.

Die Jungen und die Alten

Die meisten der 3.400 bekannten Pulsare befinden sich in unserer Heimatgalaxie, der Milchstraße, und lassen sich mittels Radiowellen beobachten. Bei nur etwa 10 Prozent derer, beobachtet man pulsierende Gammastrahlung, die energiereichste Form von Licht.

Astronominnen und Astronomen unterscheiden verschiedene Arten von Pulsaren. Junge Pulsare sind in der Regel Einzelobjekte, die bei einer Supernova-Explosion vor mehreren tausend Jahren entstanden sind. Sie drehen sich typischerweise ein paar bis ein paar Dutzend Mal pro Sekunde. Die Abstrahlung von Energie verlangsamt allmählich ihre Rotation.

Paradoxerweise drehen sich Pulsare, die tausende Male älter sind, viel schneller: Bis zu einigen hundert Mal pro Sekunde. Sie werden daher Millisekundenpulsare genannt. „Fast die Hälfte der Objekte in unserem neuen Katalog sind schnell rotierende Millisekundenpulsare. Vor Fermi haben wir noch nie einen Millisekundenpulsar im Gammastrahlenbereich gesehen“, sagt Lars Nieder, Forscher am Albert-Einstein-Institut Hannover.

Beobachtungen von Millisekundenpulsaren in Doppelsternsystemen mit einem Sternenpartner liefern Hinweise zum Verständnis des Paradoxons. Ist er auf sich allein gestellt, verlangsamt die Abstrahlung einen Pulsar. Wenn dies geschieht, wird seine Abstrahlung zudem schwächer. Bildet er jedoch ein enges Paar mit einem normalen Stern, so kann die Schwerkraft des Pulsars einen Materiestrom von seinem Begleiter anziehen. Dieser kann die Rotation des Pulsars im Laufe der Zeit über die Gesetze der Drehimpulserhaltung wieder beschleunigen.

Die Spinnen kommen

Die sogenannten „Spinnen“-Systeme bieten einen Einblick in das, was danach passiert. Sie sind nach Spinnen benannt, die dafür bekannt sind, ihre Partner zu verspeisen: Schwarze Witwen haben leichte Begleiter (mit weniger als 5 Prozent der Masse unserer Sonne), während Rotrücken schwerere Begleiter haben. Wird die Rotation des Pulsars beschleunigt, so werden seine Abstrahlung und sein Teilchenwind so energiereich, dass er durch Vorgänge, die nur unvollständig verstanden sind, seinen Begleiter aufheizt und langsam verdampft. Die energiereichsten Spinnenpulsare können ihre Begleiter vollständig verdampfen und einen einzelnen isolierten Millisekundenpulsar zurücklassen.

J1555–2908 ist eine Schwarze Witwe mit Überraschungseffekt – mit ihrem Gravitationsnetz könnte sie einen vorbeiziehenden Planeten eingefangen haben. Eine Analyse von zwölf Jahren Fermi-Daten unter Leitung von Forschenden des Albert-Einstein-Instituts zeigt langfristige Schwankungen der Rotation, die viel größer sind als bei anderen Millisekundenpulsaren. „Wir glauben, dass ein Modell, das den Planeten als dritten Körper in einer weiten Umlaufbahn um den Pulsar und seinen Begleiter einbezieht, die Veränderungen etwas besser beschreibt als andere Erklärungen. Aber wir brauchen noch ein paar Jahre an Fermi-Beobachtungen, um es zu bestätigen“, sagt Clark.

Der neue Katalog enthält auch etwa ein Dutzend Kandidaten für mögliche Spinnensysteme. „Diese Objekte sehen Spinnenpulsaren sehr ähnlich, aber wir müssen ihr Pulsieren im Gammastrahlenbereich noch identifizieren“, erklärt Nieder. „Einige von ihnen könnten lohnende Ziele für Suchen mit Einstein@Home sein. Wir freuen uns darauf, weitere solche Pulsare zu entdecken, indem wir Beobachtungen von großen optischen Teleskopen nutzen, um die Rechenleistung von Einstein@Home gezielt einzusetzen.“

Fermi misst weiter und spürt neue Quellen von Gammastrahlen auf, und Hunderte von ihnen sind noch nicht identifiziert. Einige davon könnten neue Gammapulsare sein, die, wenn sie in der Zukunft entdeckt werden, ihren Weg in die nächste Version des Fermi-Katalogs für Gammapulsare finden.

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