Gandalf schleudert Röntgenblitze

In den Weiten des Universums kann jedes neue Objekt die Suche nach ähnlichen Objekten befeuern und potenziell eine neue Klasse von Sternen etablieren. In zwei Facharbeiten beschreiben Forschende des Institute of Science and Technology Austria (ISTA) zwei Sternenüberreste, die fünf gemeinsame Eigenschaften teilen, darunter Röntgenemission – obwohl in beiden Fällen kein Begleitstern vorhanden ist. Für die Etablierung einer neuen Sternklasse sind laut dem Team zwei Sterne mehr als ausreichend.

In etwa fünf bis acht Milliarden Jahren wird sich unsere Sonne in einen Weißen Zwerg entwickeln – ein extrem dichtes, erdgroßes stellares Überbleibsel, das seinen Brennstoff aufgebraucht und seine äußere Schicht abgestoßen hat. Doch während unsere Sonne ein isolierter Stern ist, hat die Forschung in den letzten fünfzehn Jahren gezeigt, dass binäre oder Mehrsternsysteme viel häufiger sind, als Astronom:innen einst dachten. Wenn ein dichtes und kompaktes Überbleibsel wie ein Weißer Zwerg an einem Binärsystem beteiligt ist, ‚reißt‘ es oft Material von seinem Begleitstern ab. Diese Akkretion emittiert normalerweise Röntgenstrahlen als charakteristische Signatur.

Nun bestätigt die ISTA-Gruppe um Assistenzprofessorin Ilaria Caiazzo die Entdeckung eines Röntgensignals in nicht nur einem, sondern zwei isolierten Objekten namens Gandalf und Moon-Sized. Hochmagnetisch und schnell rotierend, werden diese beiden Objekte als „Verschmelzungsüberreste“ bezeichnet, da sie jeweils als Ergebnis einer gewaltsamen kosmischen Kollision entstanden sind. Indem sie ohne Begleiter Röntgenstrahlen emittieren, bilden sie nun eine eigene neue Klasse.

Gandalf ist keine ganz neue Entdeckung. Caiazzo beobachtete ihn während ihrer Forschung als Postdoktorandin und klassifizierte ihn als interessantes Objekt aufgrund von Signalen, die auf das Vorhandensein von Material um ihn herum hindeuteten.

„Wir dachten zunächst, es handele sich um ein Doppelsternsystem“, sagt Andrei Cristea, ein Doktorand in der Caiazzo-Gruppe. „Bei dem extrem hohen Magnetismus des Überrests sollte seine Drehung mit der Umlaufbahn seines Begleiters synchronisiert sein, ähnlich wie die Erdrotation mit der Mondumlaufbahn“, fügt er hinzu. Die schnellste bisher beobachtete Umlaufzeit beträgt jedoch achtzig Minuten. Gandalf hingegen dreht sich alle sechs Minuten um seine Achse. Laut Cristea ist dies nur eines seiner rätselhaften Merkmale.

„Wäre Gandalf Teil eines Binärsystems, wäre er höchst unsynchronisiert, was ihn noch rätselhafter machen könnte, als er ohnehin schon ist. Aber wir haben nie einen Begleiter gefunden. Woher kommt also das Material um ihn herum?“ Um diese Frage zu beantworten, zog das Team einen Hinweis aus optischen Emissionsspektren heran, einer in der Astronomie weit verbreiteten Beobachtungstechnik.

„Wir sahen Wasserstoff-Emissionsspektren, die eine doppelte Spitzen-Signatur zeigten, ähnlich Katzenohren“, sagt Cristea. „Normalerweise weist diese Signatur auf das Vorhandensein einer Materialscheibe um einen Verschmelzungsüberrest hin. Bei genauerer Betrachtung erkannten wir jedoch, dass das Signal über die sechsminütige Rotationsperiode des Überrests zwischen den beiden Spitzen wechselte.“ Diese seltsame Beobachtung passte zum Vorhandensein eines Halbrings von Material, das den Stern umkreist. „So etwas haben wir bei keinem Weißen Zwerg zuvor gesehen“, fügt er hinzu.

Damit das Material um den Verschmelzungsüberrest asymmetrisch in einer Halbring-Konfiguration gefangen sei, benötigt es ein starkes und asymmetrisches Magnetfeld im Objekt selbst, so das Team.

„Zu beachten ist, dass Weiße Zwerge ähnlichen Alters und Entwicklungsstadiums typischerweise nicht magnetisch sind“, sagt Cristea. „Während hochmagnetische Weiße Zwerge bereits eine Ausnahme sind, ist Gandalf jetzt einer von nur zwei bekannten Verschmelzungsüberresten mit asymmetrischer Magnetisierung.“ All diese rätselhaften Gründe führten Cristea dazu, dieses Sternobjekt nach dem berühmten Protagonisten in J. R. R. Tolkiens Romanen zu benennen, der gerne in Rätseln spricht.

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Das tobende Universum

Obwohl das Team keinen Begleiter für Gandalf fand, könnte er dennoch einen ‚Zwilling‘ in einer völlig anderen Region des Universums haben. Der Weiße Zwerg „Moon-Sized“, dessen Entdeckung Caiazzo 2021 veröffentlichte, weist eine Reihe einzigartiger Eigenschaften auf. Neben seiner hohen Magnetisierung und Rotationsgeschwindigkeit besitzt er sogar eine Masse, die der der Sonne ähnelt, bei einer Größe, die mit der des Mondes vergleichbar ist – oder etwas größer, wie neue Beweise zeigen.

Das ISTA-Team fand heraus, dass Moon-Sized und Gandalf fünf gemeinsame Merkmale teilen. Zusätzlich dazu, dass sie ultramassiv, hochmagnetisch und schnell rotierend sind, existieren sie ohne Begleitstern und senden Röntgenstrahlen aus. Diese fünf gemeinsamen Eigenschaften führten die ISTA-Forschenden dazu, Gandalf und Moon-Sized als zwei Mitglieder einer neuen Klasse von Überresten vorzuschlagen.

Das Team schlägt mehrere Szenarien vor, um ihre Entdeckungen zu erklären, insbesondere die Quelle der Röntgenstrahlen. Im ersten Szenario könnte ein hochmagnetischer Stern schnell genug rotieren, um eine starke Kraft zu erzeugen, die Material von sich selbst extrahiert. „Das ist mein bevorzugtes Szenario, weil es nur den Weißen Zwerg selbst berücksichtigt, anstatt Material, das von außerhalb des Sternüberrests stammt“, sagt Desai. Nach Ansicht des Teams entspricht dieses „Ausfluss“-Szenario dem von Pulsaren, obwohl es bei einem Weißen Zwerg nie modelliert wurde.

In ihrem zweiten Szenario – diesmal unter Einbeziehung eines Zuflusses von Material – schlagen sie vor, dass ein „verbliebener“ Materialpfad, der vom Verschmelzungsereignis stammt, nach dem Zusammenprall möglicherweise nicht vollständig auf den Sternüberrest aufgesammelt wurde. Indem es mit hoher Exzentrizität um den Verschmelzungsüberrest kreist – was bedeutet, dass es sich über eine große Bahn weit vom Stern entfernt bewegt, bevor es nahe zurückkehrt –, könnte dieser Pfad über Hunderte Millionen von Jahren auf den Überrest „zurückfallen“.

In ihrem dritten Szenario untersucht das Team eine weitere „Zufluss“-Quelle von externem Material. „Wir wissen, dass ein Drittel der Weißen Zwerge ‚verschmutzt‘ ist“, sagt Desai. „Sie sind so dicht, dass wir erwarten würden, dass fremde Körper, etwa Asteroiden oder sogar zerstörte planetare Körper, auf sie kollabieren.“ Während Gandalf einige Anzeichen von Verschmutzung zeigt, möglicherweise durch kohlenstoff- oder siliziumreiche Materialien, hat das Team keine solchen Signale am erheblich älteren Moon-Sized nachgewiesen. „Dieses Szenario scheint weniger wahrscheinlich, da es nicht vollständig erklärt, warum wir die Röntgenstrahlen in beiden Objekten gerade jetzt sehen“, erklärt Desai. [ISTA / dre]