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EINSTEIN@HOME
Kosmischer Tanz eines ungleichen Paares
Redaktion / Pressemitteilung des Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik
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23. Oktober 2020

Dank der Rechenleistung von zahlreichen privaten Computern konnten Astronominnen und Astronomen nun das Geheimnis um eine galaktische Gammastrahlenquelle lüften: Offenbar handelt es sich um ein System aus einen außergewöhnlich massereichen Neutronenstern und einem massearmen Begleiter. Auch sonst weist das Paar einige Besonderheiten auf.

Fermi

Ein Himmelsausschnitt der Beobachtungen des Gammasatelliten Fermi und der nun von Einstein@Home entdeckte Gammapulsar. Bild: Knispel / Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik / NASA / DOE / Fermi LAT Collaboration [Großansicht]

Nach mehr als zwei Jahrzehnten hat ein internationales Forschungsteam unter Leitung des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut; AEI) in Hannover das Rätsel um eine galaktische Gammastrahlenquelle gelöst: ein schwerer 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 NASA eindeutig nach. Das im Bereich der Radiowellen überraschenderweise vollkommen unsichtbare Doppelsternsystem wurde durch eine Beobachtungskampagne quer durch das elektromagnetische Spektrum aufgespürt.

"Das Doppelsternsystem und der nun als PSR J1653−0158 bekannte Neutronenstern in dessen Herzen stellen neue Rekorde auf", erklärt Lars Nieder, Doktorand am AEI Hannover. "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."

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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 Rekordentdeckung durch zwei wichtige Schritte: Mit astronomischen Beobachtungen aus dem Jahr 2014 ließen sich 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 Teammitglied Dr. Colin Clark vom Jodrell Bank Centre for Astrophysics.

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 Rechenprojekts Einstein@Home gezielt und fokussiert einzusetzen. Dies lieferte außerdem ein vollständigeres Bild des Begleitsterns.

Sie verbesserten zudem frühere Analysemethoden, die sie zu diesem Zweck entwickelt hatten, und nutzten die Hilfe von rund zehntausend Einstein@Home-Freiwilligen, um etwa ein Jahrzehnt an Archivdaten 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 so 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. Sie konnten 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 - was wahrscheinlicher ist - die Plasmawolke umhüllt das Doppelsternsystem so lückenlos, dass keine Radiostrahlung die Erde erreicht. In einem weiteren Schritt durchsuchten sie 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 Prof. Dr. 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?"

Über ihre Ergebnisse berichtet das Team in einem Fachartikel in der Zeitschrift Astrophysical Journal Letters.

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siehe auch
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Einstein@Home: Rekordverdächtiges Pulsarsystem entdeckt - 9. Dezember 2016
Einstein@home: Neues Verfahren enttarnt Gammapulsar - 5. August 2015
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BOINC: Suche nach Pulsaren mit dem Smartphone - 22. Juli 2013
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Einstein@Home: Pulsarfund am heimischen Computer - 13. August 2010
Einstein@home: Millionen PCs sollen nach Gravitationswellen suchen - 4. Februar 2005
Links im WWW
Fachartikel in in den Astrophysical Journal Letters
Max-Planck-Institut für Gravitationphysik
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