09.11.2022

Taumelnder Röntgenpulsar

Polarisationsgrad von Hercules X-1 viel niedriger als theoretisch vorhergesagt.

Gleich die erste direkte Messung der Polarisation eines Röntgenpulsars, eines rotierenden magneti­sierten Neutronen­sterns, durch das Weltraumteleskop IXPE (Imaging X-ray Polarimetry Explorer) stellte bisherige Modelle solcher Systeme in Frage. Der Polarisations­grad des Röntgenpulsars Hercules X-1 war viel niedriger als theoretisch vorhergesagt, sodass die Vorstellungen der Astrophysiker von der Geometrie und Struktur der Materie­flüsse grundlegend überdacht werden müssen. Den neuen Erkenntnissen zufolge liegen die Drehachse und die magnetische Achse des Neutronen­sterns, als auch die Richtung des Drehimpulses in diesem Doppel­sternsystem, nicht in einer Linie, sodass das Objekt sich taumelnd wie ein Kreisel bewegt. 

Abb.: Illustration eines rotierenden Neutronen­sterns. (Bild: NASA)
Abb.: Illustration eines rotierenden Neutronen­sterns. (Bild: NASA)

Röntgen­pulsare haben Durchmesser von nur etwa zehn Kilometern, sind aber schwerer als die Sonne und haben ein Magnetfeld, das mehrere Milliarden Mal stärker ist als alle Magnetfelder, die wir auf der Erde kennen. Sie bilden ein Doppelstern­system mit einem normalen Stern, der Materie über ein Magnetfeld wie über einen Trichter in die Polregionen des Pulsars überfließen lässt. Dies zur Freisetzung immenser Energien und macht Röntgen­pulsare zu sehr hellen Quellen am Röntgenhimmel. Nun liefert die IXPE-Mission, die zu Beginn dieses Jahres startete, eine neue Perspektive auf diese Objekte.

IXPE ist die erste Pionier­mission, bei der polarisierte Röntgenstrahlen von Himmels­objekten gemessen werden können. „Her X-1 war der erste Röntgenpulsar, der von IXPE beobachtet wurde. Wir waren sehr überrascht, dass dabei nur eine niedrige Polari­sation beobachtet wurde, was unsere theo­retischen Vorhersagen über den Haufen warf. Wir haben das noch nicht verstanden“, sagt Victor Doroshenko vom Institut für Astronomie und Astrophysik der Universität Tübingen. Der durch­schnittliche Polarisations­grad von etwa 8,6 Prozent, der von IXPE mit hoher Genauigkeit gemessen wurde, sei viel niedriger als die erwarteten rund achtzig Prozent, die durch theoretische Arbeiten vorhergesagt waren. „Eine solch große Diskrepanz impliziert, dass bisherige Modelle des Strahlungs­transports in stark magneti­sierten Plasmen, die sich an den Polen der Neutronensterne sammeln, und unsere Ideen bezüglich der Geometrie und Struktur der Emissions­region in Her X-1 – und wahrscheinlich weiterer Pulsare – im Licht der IXPE-Ergebnisse grund­legend überdacht werden müssen“, setzt Juri Poutanen von der finnischen Universität Turku hinzu.

„Ich habe Her X-1 fast mein ganzes Leben lang untersucht, und er überrascht mich immer wieder“, sagt Rüdiger Staubert vom Tübinger Institut für Astronomie und Astrophysik. „Es ist der erste Röntgenpulsar, bei dem wir das magnetische Feld des Neutronen­sterns direkt messen konnten. Und es ist eines der meistuntersuchten Objekte seiner Art. Aber wir sind noch weit davon entfernt, es völlig zu verstehen“, sagt Staubert. Trotz aller neuen Rätsel betrachtet das Forschungs­team die neuen Ergebnisse als grundlegende Erkenntnisse. „Erstmals seit der Entdeckung von Röntgen­pulsaren vor fünf Jahrzehnten war es möglich, durch das Studium der Änderungen des Polarisations­winkels mit der Phase der Eigendrehung den Winkel zwischen der Drehachse und der magnetischen Dipolachse zu messen. Diese Informationen benötigen wir, um die Emission aus solchen Objekten zu modellieren“, erklärt Doroshenko. „Diese röntgen­polari­metrischen Beobachtungen haben wir mit früheren optischen polari­metrischen Messungen kombiniert. So konnten wir belegen, dass die Drehachse des Pulsars nicht in einer Linie mit dem Bahndreh­impuls liegt. Das deutet – wie auch andere frühere Beobach­tungen – darauf hin, dass der Neutronenstern taumelt wie ein auslaufender Spielzeug­kreisel.“

Der ultimative Beleg dafür werde später in diesem Jahr erwartet, wenn IXPE den Röntgenpulsar Her X-1 in einer anderen Phase seines 35-Tage-Zyklus beobachten soll, berichtet Andrea Santangelo vom Institut für Astronomie und Astrophysik. „IXPE startet gerade erst jetzt das neue Beobachtungs­fenster der Röntgen­polarimetrie und ebnet den Weg für die nächste Generation von Röntgen­polarimetern. Es ist erst der Anfang eines großen Abenteuers“, setzt er hinzu. 

U. Tübingen / JOL

Weitere Infos

Sonderhefte

Physics' Best und Best of
Sonderausgaben

Physics' Best und Best of

Die Sonder­ausgaben präsentieren kompakt und übersichtlich neue Produkt­informationen und ihre Anwendungen und bieten für Nutzer wie Unternehmen ein zusätzliches Forum.

Weiterbildung

Weiterbildungen im Bereich Quantentechnologie
TUM INSTITUTE FOR LIFELONG LEARNING

Weiterbildungen im Bereich Quantentechnologie

Vom eintägigen Überblickskurs bis hin zum Deep Dive in die Technologie: für Fach- & Führungskräfte unterschiedlichster Branchen.

Meist gelesen

Themen