Schwergewichte im Duett

Rund 25.000 Lichtjahre entfernt kreisen zwei tote Sterne umeinander. Je 20 Kilometer Durchmesser, mehr Masse als unsere Sonne und nur fünf Stunden für eine Umkreisung. Dieses ungewöhnliche Paar hat ein internationales Team unter Beteiligung von zwei Max-Planck-Instituten (Gravitations­physik und Radio­astronomie) sowie von Teilnehmern am Computerprojekt „Einstein@Home“ aufgespürt. Bisher kennt man nur 14 solche Systeme und die Neu­entdeckung hat die größte Gesamt­masse für beide Komponenten. Mit solchen Systemen werden einige der genauesten Tests von Einsteins Allgemeiner Relativitäts­theorie möglich und sie spielen eine große Rolle als mögliche Quellen für den Nachweis von Gravitationswellen mit LIGO.

Neutronensterne senden zwei stark gebündelte Radio­strahlen in entgegen­gesetzte Richtungen aus. Liegt die Erde im Bereich eines solchen Strahls, lässt sich der Neutronen­stern mit Hilfe großer Radio­teleskope als pulsierende Radio­quelle am Himmel – Pulsar – aufspüren. Die meisten der bisher 2500 bekannten Radio­pulsare am Himmel stehen isoliert und rotieren als Einzel­sterne im Weltraum. Nur 255 von ihnen (gut zehn Prozent) befinden sich in Doppelstern­systemen und davon wiederum nur jeder Zwanzigste im Umlauf mit einem weiteren Neutronenstern.

„Diese seltenen Doppelneutronen­sternsysteme sind einzigartige Laboratorien für Fundamental­physik; sie ermöglichen Messungen, die in keinem irdischen Laboratorium durchgeführt werden können“, sagt Bruce Allen, Direktor am Max-Planck-Institut für Gravitations­physik in Hannover und Leiter des Einstein@Home-Projekts. „Deshalb brauchen wir große Teleskope wie das Arecibo-Observatoriums und empfindliche ‚Daten­analyse-Maschinen‘ wie Einstein@Home, um so viele wie möglich von diesen aufregenden Objekten zu entdecken.“

Die neue Pulsarentdeckung gelang in den Daten des Arecibo-Radio­teleskops. Im Rahmen von PALFA (“Pulsar Surveys with the Arecibo L-Feed Array”) führt ein internationales Forscher­team Beobachtungen mit dem Teleskop durch, um neue Radio­pulsare zu identifizieren. Mit der PALFA-Durch­musterung konnten sie bisher 171 Pulsare entdecken. Die Daten werden auch im Rahmen des Einstein@Home-Projekts auf einer Vielzahl vernetzter Computer analysiert; allein damit ließen sich bisher 31 neue Pulsare identifizieren.

Einstein@Home vereint die Computerleistung von mehr als 40.000 Nutzern weltweit, die sich mit rund 50.000 Laptops, PCs und Smartphones an dem Projekt beteiligen. Das Projekt ist eines der größten überhaupt im verteilten Rechnen auf freiwilliger Basis und seine gesamte Computer­leistung von 1,7 Petaflops pro Sekunde macht es zu einem der 60 leistungsfähigsten Supercomputer weltweit.
Nach der ursprünglichen Entdeckung des Doppelstern­systems mit Einstein@Home im Februar 2012 führten die PALFA-Wissenschaftler regelmäßige Beobachtungen mit dem Arecibo-Teleskop durch, um die Umlaufbahn des Radiopulsars, der sich in jeweils 27,2 Millisekunden einmal um seine Achse dreht, möglichst präzise zu vermessen. Mit diesen Beobachtungen lässt sich zeigen, dass dieses inzwischen als PSR J1913+1102 bezeichnete Objekt aus zwei Sternen besteht, die einander in etwas weniger als fünf Stunden in einem leicht elliptischen Orbit umkreisen.

Aus der Verlangsamung der Rotations­periode mit der Zeit konnten die Wissenschaftler das Magnetfeld des Pulsars berechnen, das einige Milliarden mal stärker ist als das unserer Erde. Für einen Neutronen­stern ist dies ein relativ schwacher Wert, der darauf hindeutet, dass in der Vergangenheit Materie vom Begleitstern durch Akkretion aufgenommen wurde. Eine solche Akkretions­phase würde aber auch zu einer kreis­förmigen Umlauf­bahn führen. Die hingegen beobachtete Elliptizität des Orbits zeigt, dass auch der Begleitstern bereits als Supernova explodiert ist und einen zweiten Neutronen­stern in diesem System erzeugt hat. Durch die Supernova-Explosion wurde zwar nicht das gesamte System auseinander­gerissen, aber die Umlauf­bahnen beider Komponenten wurden elliptischer.

Die Forscher haben eine direkte Auswirkung von Einsteins Allgemeiner Relativitäts­theorie in diesem Doppel­stern­system nachgewiesen. Wie die Umlauf­bahn des Planeten Merkur um die Sonne rotiert auch die elliptische Umlauf­bahn des Pulsars mit der Zeit. Während diese Rotation bei Merkur aber nur 0,0001 Grad pro Jahr beträgt, ist sie beim Orbit von J1913+1102 rund 47.000 mal schneller; das sind volle 5,6 Grad pro Jahr. Das Ausmaß dieses Effekts, der relativistischen Periastron-Verschiebung, hängt von der Gesamt­masse des Systems von Radio­pulsar und Begleiter ab und ermöglicht so die Berechnung dieser Masse.

„Mit insgesamt 2,88 Sonnenmassen haben wir einen neuen Rekord für die Gesamt­masse eines Systems mit zwei Neutronen­sternen“, sagt Paulo Freire, Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Radio­astronomie in Bonn. „Wir würden erwarten, dass der Pulsar mehr Masse aufweist als sein Begleiter, aber mit unseren Beobachtungen konnten wir bislang die Einzel­massen von Pulsar und Begleitstern noch nicht präzise bestimmen. Aber zukünftige Messungen sollten auch das möglich machen.“ Falls der Pulsar in der Tat wesentlich masse­reicher sein sollte als sein Begleitstern, würde dieses System sich deutlich von allen bis jetzt bekannten Doppel­neutronen­stern­systemen unterscheiden. In diesem Fall könnte es sich sogar als eines der besten bekannten Laboratorien zum Test von alternativen Gravitations­theorien im Vergleich zu Einsteins Allgemeiner Relativitäts­theorie erweisen.

Da der Begleitstern ebenfalls ein Neutronenstern ist, könnte er sich im Prinzip auch als Radio­pulsar nachweisen lassen, vorausgesetzt, dass die Geometrie stimmt und der gebündelte Radio­strahl die Erde überstreicht. Das scheint allerdings für J1913+1102 nicht der Fall zu sein. Die Forscher haben die gesamten Daten sehr sorgfältig auf Radiopulse vom Begleiter hin untersucht, bislang jedoch vergeblich.

Während die beiden Neutronensterne einander umkreisen, werden die Orbite kleiner und beide nähern sich einander, da das Gesamt­system Energie durch Abstrahlung von Gravitationswellen verliert. Die Vermessung dieses Effekts sollte die Bestimmung der Einzelmassen von Pulsar und Begleit­stern möglich machen. Die Forscher hoffen, dadurch auch mehr über die wenig bekannte stellare Entwicklung in solchen Doppel­stern­systemen und bisher unbekannte Eigenschaften von Materie mit der Dichte eines Atomkerns zu erfahren.

Diese Entdeckungen gewinnen eine zusätzliche Bedeutung im Zeitalter der Gravitations­wellen­astronomie, das im September 2015 mit dem erstmaligen direkten Nachweis von Gravitations­wellen mit den LIGO-Detektoren begonnen hat. „Das Aufspüren von Doppel­neutronen­stern­systemen ähnlich wie J1913+1102 ist wichtig für die Forschung im Bereich der Gravitations­wellen. Es hilft uns, besser zu verstehen, in welchem Zeitrahmen solche Systeme miteinander verschmelzen und damit heraus­zufinden, wie oft Signale von kollidierenden Neutronen­sternen in Zukunft mit Advanced LIGO entdeckt werden können“, folgert Michael Kramer, Direktor am Max-Planck-Institut für Radio­astronomie.

MPIfR / DE