Scharfer Blick auf Pulsare

Durch Beobach­tungen der Nasa-Mission „Neutron star Interior Composition Explorer“ (NICER) haben Wissen­schaftler eine neue Stufe im Verständnis von Pulsaren – ultra­dichten Überbleibseln explodierter Sterne – erreicht. NICER ist ein Röntgen­instrument an Bord der inter­nationalen Raumstation und hat nun erstmals präzise und verlässliche Größen- und Massenmessungen von Pulsaren ermöglicht. Wissen­schaftler der TU Darmstadt haben wesentlich dazu beigetragen, die Bedeutung der NICER-Messungen für die Zustands­gleichung dichter Materie zu verstehen.

Der vermessene Pulsar J0030+0451 befindet sich in einer isolierten Weltraum­region, etwa 1100 Lichtjahre entfernt im Sternbild Fische. Die neuen Messungen offenbaren, dass die Form und Orte von Millionen Grad heißer Regionen auf der Oberfläche des Pulsars viel komplexer sind als erwartet. „Von seiner Position auf der Raumstation aus revolu­tioniert NICER gerade unser Verständnis von Pulsaren“, so Paul Hertz, Direktor der Abteilung für Astrophysik am Nasa-Hauptquartier in Washington. „Pulsare wurden vor mehr als fünfzig Jahren entdeckt als Leucht­feuer von Sternen, die zu dichten Kernen kollabiert sind, und verhalten sich komplett anders als alles, was wir auf der Erde sehen. Dank NICER können wir die Natur und Eigenschaften dieser ultradichten Überbleibsel auf eine Weise studieren, die bis jetzt unmöglich schien”, so Hertz.

Wenn ein schwerer Stern stirbt, geht dessen Brennstoff zur Neige, er kollabiert unter seinem eigenen Gewicht und explodiert schließlich als eine Supernova. Relikte solcher Sternexplosionen sind Neutronen­sterne, die mehr Masse beinhalten als unsere Sonne, konzentriert in einer Kugel von etwa der Dimension des Großraums Darmstadt. Pulsare sind eine besondere Klasse von Neutronen­sternen, welche sich hunderte Male pro Sekunde drehen und bei jeder Rotation einen Energie­strahl Richtung Erde senden. J0030 im Besonderen rotiert 205 Mal pro Sekunde. 

Seit Jahrzehnten versuchen Wissen­schaftler heraus­zufinden, wie Pulsare funktionieren. Im einfachsten Modell hat ein Pulsar ein starkes Magnetfeld, das ähnlich wie das Magnetfeld unserer Erde aufgebaut ist. Das Feld ist aber so stark, dass es Teilchen von der Oberfläche des Pulsars reißt und sie beschleunigt. Einige Teilchen folgen dem Magnetfeld und treffen auf die gegenüberliegende Seite, erwärmen die Oberfläche und erzeugen Hot Spots an den Magnetpolen. Der ganze Pulsar leuchtet schwach im Röntgen­spektrum, während die Hot Spots heller erscheinen. Während sich das Objekt dreht, leuchten diese Bereiche von der Erde aus betrachtet wie die Strahlen eines Leuchtturms und erzeugen extrem regelmäßige Schwankungen der Röntgen­helligkeit des Objekts. NICER misst die Ankunft jedes Röntgenbildes von einem Pulsar auf besser als hundert Nanosekunden.

Unter Verwendung von den Beobachtungen der NICER Mission von Juli 2017 bis Dezember 2018 erstellten zwei Gruppen nun Modelle für die Hot Spots von J0030 mit unab­hängigen Methoden und gelangten zu ähnlichen Ergeb­nissen für die Masse und den Durchmesser des Pulsars. Ein Team unter der Leitung der Universität Amsterdam stellte fest, dass der Pulsar eine Masse von etwa dem 1,3-fachen der Sonnenmasse und einen Durchmesser von etwa 25,4 Kilometer aufweist. Ein zweites Team fand heraus, dass J0030 etwa das 1,4-fache der Sonnenmasse wiegt und etwas größer ist, etwa 26 Kilometer. „Es ist bemerkenswert und auch sehr beruhigend, dass die beiden Teams für J0030 mit unter­schiedlichen Modell­annahmen so ähnliche Größen, Massen und Hot-Spot-Muster erreicht haben“, sagte Zaven Arzoumanian, wissenschaftlicher Leiter von NICER im NASA Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland. „Es sagt uns, dass NICER auf dem richtigen Weg ist, uns bei der Beant­wortung einer großen Frage in der Astrophysik zu helfen. Welche Form nimmt die Materie in den ultradichten Kernen von Neutronen­sternen an?“

TU Darmstadt / JOL

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  Z. Arzoumanian et al.: Focus on NICER Constraints on the Dense Matter Equation of State, Astrophys. J. Lett. 887, 2041 (2019); DOI: 10.3847/2041-8213/ab481c
• NICER, NASA, Goddard Space Flight Center, Greenbelt
• Theory Center, Institute für Kernphysik, Technische Unversität Darmstadt