28.11.2023

Radiostrahlung seltener Magnetare

Universelle Beziehung zwischen extremen Sternen und schnellen Radiostrahlungsausbrüchen.

Ein inter­nationales Forscherteam unter der Leitung von Michael Kramer und Kuo Liu vom Bonner Max-Planck-Institut für Radio­astronomie hat eine seltene Art ultradichter Sterne, den Magnetaren, untersucht, um ein zugrunde liegendes Gesetz zu entdecken, das universell für eine ganze Reihe von Objekten, die Neutronen­sterne, zu gelten scheint. Dieses Gesetz gibt Aufschluss darüber, wie diese Quellen Radiostrahlung erzeugen, und es könnte eine Verbindung zu den rätselhaften Strahlungs­ausbrüchen herstellen, die im fernen Universum angesiedelt sind.

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Abb.: Illustration eines Magnetars, bei dem ein Neutronenstern mit Hilfe der im ultrastarken Magnetfeld gespeicherten Energie Radiostrahlung aussendet.
Quelle: M. Kramer, MPIfR

Neutronensterne sind die kollabierten Kerne massereicher Sterne, bei denen bis zu zwei Sonnenmassen in einer Kugel von weniger als 25 Kilometer Durchmesser konzentriert sind. Infolgedessen ist die Materie dort die am dichtesten gepackte im beobacht­baren Universum, wobei Elektronen und Protonen zu Neutronen komprimiert werden. Mehr als 3000 Neutronen­sterne können als Radiopulsare beobachtet werden, die einen gebündelten Radio­strahl aussenden, der von der Erde aus als pulsierendes Signal sichtbar ist, wenn der rotierende Pulsar sein Licht in Richtung unserer Teleskope abstrahlt.

Das Magnetfeld von normalen Pulsaren ist bereits Billionen Mal stärker als das Magnetfeld der Erde, aber es gibt eine kleine Gruppe von Neutronensternen, deren Magnetfeld sogar noch eintausend Mal stärker ist, die Magnetare. Von den etwa dreißig bekannten Magnetaren wurden sechs auch als Radiostrahler entdeckt, zumindest zeitweise. Um diesen Zusammenhang zu untersuchen, haben Forscher des Max-Planck-Instituts für Radio­astronomie mit Unterstützung von Kollegen der Universität Manchester die einzelnen Pulse von Magnetaren im Detail untersucht und eine Unterstruktur in ihnen entdeckt. Es stellte sich heraus, dass eine ähnliche Pulsstruktur auch in Pulsaren, in schnell rotierenden Millisekunden-Pulsaren, und in weiteren Neutronen­sternquellen, den „Rotating Radio Transients“, beobachtet wurde.

Zu ihrer Überraschung stellten die Forscher fest, dass die Zeitskalen von Magnetaren und die der anderen Arten von Neutronen­sternen alle der gleichen universellen Beziehung folgen und genau mit der Rotations­periode skalieren. Die Tatsache, dass sich ein Neutronenstern mit einer Rotations­periode von weniger als ein paar Millisekunden und ein Neutronenstern mit einer Periode von fast einhundert Sekunden wie ein Magnetar verhalten, deutet darauf hin, dass der eigentliche Ursprung der Subpulsstruktur bei allen Neutronen­sternen, die Radiostrahlung aussenden, derselbe sein muss. Das gibt Informationen über den Plasmaprozess, der für die Radio­emission verantwortlich ist, und bietet eine Möglichkeit, ähnliche Strukturen, die in FRBs zu sehen sind, als Ergebnis einer entsprechenden Rotationsperiode zu interpretieren.

„Als wir damit anfingen, die Emission von Magnetaren mit der von FRBs zu vergleichen, erwarteten wir durchaus Ähnlich­keiten“, sagt Michael Kramer, Direktor am MPIfR. „Was wir nicht erwartet haben, ist, dass alle radio­strahlenden Neutronen­sterne diese universelle Skalierung teilen.“ „Wir gehen davon aus, dass Magnetare durch Magnet­feldenergie angetrieben werden, während die anderen durch ihre Rotationsenergie angetrieben werden“, ergänzt Kuo Liu. „Einige sind sehr alt, andere sehr jung, und doch scheinen alle diesem Gesetz zu folgen.“

„Wir haben die Magnetare mit dem 100-m-Radioteleskop in Effelsberg beobachtet und unsere Ergebnisse auch mit Archivdaten verglichen, da Magnetare nicht ständig Radioemission aussenden“, sagt Gregory Desvignes. „Da die Radio­emission von Magnetaren nicht immer vorhanden ist, muss man flexibel sein und schnell reagieren, was mit Radioteleskopen wie dem in Effelsberg auch möglich ist“, ergänzt Ramesh Karuppusamy. Für Ben Stappers ist der spannendste Aspekt des Ergebnisses die mögliche Verbindung zu FRBs: „Wenn zumindest einige FRBs von Magnetaren verursacht werden, könnte die Zeitskala der Substruktur im Strahlungs­ausbruch uns die Rotations­periode der zugrunde liegenden Magnetarquelle verraten. Wenn wir diese Periodizität in den Daten finden, wäre dies ein Meilenstein für die Erklärung dieser Art von FRBs als Radioquellen.“ 

MPIfR / JOL

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