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Doppelsternsystem exakt vermessen
Redaktion
/ Pressemitteilung des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik (AEI)
astronews.com
14. August 2015
Astronomen ist es gelungen, ein Doppelsternsystem mit einem
schnell rotierenden Millisekundenpulsar exakt zu vermessen. Eine entscheidende
Rolle spielte dabei ein neues Verfahren, mit dem die Wissenschaftler Archivdaten
des Gamma-Weltraumteleskops Fermi auswerteten. Dadurch ließen sich
sogar Schwankungen in der Umlaufzeit des wechselwirkenden Systems nachweisen.
Im Doppelsternsystem umlaufen der Pulsar und
sein Begleitstern den gemeinsamen Schwerpunkt in
nur 4,6 Stunden. Der Begleiter wird durch die
Strahlung (magenta) des Pulsars einseitig erhitzt
und langsam verdampft. Das Doppelsternsystem und
der Begleiter sind maßstabsgerecht abgebildet,
der Pulsar wurde vergrößert.
Bild: Knispel / AEI / SDO /
AIA / NASA / DSS[Großansicht] |
Pulsare sind schnell rotierende, kompakte Überreste von Explosionen massereicher
Sterne. Beobachten lassen sie sich anhand der Bündel aus Radio- und
Gammastrahlung, die sie wie kosmische Leuchttürme ins All senden. Forscher des
Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut, AEI) in
Hannover haben nun ein Doppelsternsystem mit einem schnell rotierenden,
sogenannten Millisekundenpulsar ganz genau vermessen.
Die Wissenschaftler analysierten dazu Archiv-Daten des Gamma-Weltraumteleskops
Fermi mit neuen Methoden präziser als zuvor möglich. Dabei entdeckten
sie Schwankungen in der Umlaufzeit des wechselwirkenden Doppelsternsystems, die
sich durch magnetische Aktivitätszyklen des Begleitsterns erklären lassen.
0FGL J2339.8–0530 – diese Zeichenkombination ist der Katalogname eines
Himmelsobjekts, welches das Large Area Telescope (LAT) an Bord des
Fermi Gamma-ray Space Telescope bereits im Jahr 2009 als Quelle intensiver
Gammastrahlung identifizierte. Beobachtungen in anderen Wellenlängenbereichen in
den Folgejahren legten nahe, dass sich dahinter ein Millisekundenpulsar
verbirgt, der mit einem Begleitstern den gemeinsamen Schwerpunkt in etwa 4,6
Stunden umrundet.
Erst im Jahr 2014 konnte der Pulsar als PSR J2339–0533 anhand seiner
Radiostrahlung nachgewiesen werden. Die Beobachtung im Radiobereich wird dadurch
erschwert, dass der Pulsar mit seinem Begleitstern wechselwirkt - er erhitzt
seinen Begleiter und verdampft ihn dadurch. So ist das Doppelsternsystem von
Gaswolken erfüllt, die die Radiostrahlung absorbieren und den Pulsar zeitweise
unsichtbar machen. Um das System vollständig zu charakterisieren, wären
regelmäßige Beobachtungen über mehrere Jahre notwendig.
Die Gammastrahlung von PSR J2339–0533 hingegen durchdringt die Gaswolken und
erlaubt so dessen Untersuchung. "Die vom Fermi-LAT registrierten
Ankunftszeiten der einzelnen Gammaphotonen hängen von den physikalischen
Eigenschaften der Sterne und ihrer Bahnen ab", erläutert Holger Pletsch, Leiter
einer unabhängigen Forschungsgruppe am AEI.
Im Umkehrschluss lässt sich aus der Analyse der Ankunftszeiten eine präzise
Vermessung der Doppelsternsystems konstruieren. "Nach den ersten
Radiobeobachtungen hatten wir einen Ansatzpunkt, anhand der umfangreichen
Fermi-LAT-Archivdaten der letzten sechs Jahre sofort einen hochauflösenden Blick
auf das System zu werfen", sagt Pletsch.
Entscheidend war dabei der Einsatz neuer Analyse-Algorithmen. "Im Gegensatz zu
bisherigen Verfahren, die stets die Ankunftszeiten mehrerer Gammaphotonen
mitteln und so zeitliche Auflösung verlieren, basiert unsere Methode auf den
Ankunftszeiten einzelner Photonen", sagt Colin Clark, Doktorand in Pletschs
Arbeitsgruppe. "Dadurch können wir die physikalischen Eigenschaften des
Doppelsternsystems noch genauer ermitteln, vor allem Effekte auf kürzeren
Zeitskalen."
Die Ergebnisse von Pletsch und Clark liefern eine ganz genaue Vermessung von PSR
J2339–0533, seinem Begleiter und ihren Bahnen umeinander. Es handelt sich um die
erste hochpräzise Vermessung eines solchen wechselwirkenden Doppelsternsystems
mittels der Gammastrahlung eines Millisekundenpulsars. Die Forscher reizen dabei
die Zeitauflösung des Fermi-LAT, die etwa bei Millionstelsekunden liegt, aufs
Äußerste aus.
Die Ergebnisse zeigen eine überraschende Schwankung der Umlaufzeit. "Wir waren
erstaunt, dass die Umlaufzeit langsam nach oben und unten um den Mittelwert von
4,6 Stunden schwankt. Die Änderungen liegen in der Größenordnung von wenigen
Tausendstelsekunden, was verglichen mit der Messgenauigkeit von
Millionstelsekunden aber enorm viel ist", sagt Clark. "Das ist so als würde die
Jahreslänge auf der Erde um ein Dutzend Sekunden schwanken."
Als wahrscheinlichste Ursache erachten die Wissenschaftler winzige Veränderungen
in der Form des Begleitsterns, die durch dessen magnetische Aktivität
hervorgerufen werden. Ähnlich wie unsere Sonne durchläuft der Begleiter demnach
Aktivitätszyklen. Das dabei schwankende Magnetfeld wechselwirkt mit dem Plasma
im Sterninneren und verformt ihn. Mit der Form des Sterns ändert sich auch sein
Gravitationsfeld, was wiederum die Bahn des Pulsars beeinflusst und die
beobachteten Schwankungen der Umlaufzeit erklärt.
"In der Zukunft kann die Kombination von weiteren Beobachtungen mit optischen
Teleskopen uns helfen, den Zusammenhang zwischen Sternaktivität und Schwankungen
der Umlaufzeit zu belegen", sagt Pletsch. Diese könnte außerdem zum besseren
Verständnis des Doppelsternsystem beitragen. "Die Fermi-LAT-Beobachtungen
des Pulsars lassen uns gewissermaßen in das Innere des Begleitsterns blicken.
Vielleicht lässt sich damit zukünftig sogar die Art des Magnetfeld-Dynamos im
Begleiter ermitteln."
Über ihre Ergebnisse berichten die Astronomen jetzt in der Fachzeitschrift The Astrophysical
Journal.
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