Fermi der NASA erkennt erste Gammastrahlenfinsternisse von „Spinnen“-Sternensystemen

Wissenschaftler haben die ersten Gammastrahlenfinsternisse eines speziellen Typs von Doppelsternsystemen entdeckt, indem sie Daten des Fermi-Gammastrahlen-Weltraumteleskops der NASA verwendeten. Diese sogenannten Spinnensysteme enthalten jeweils einen Pulsar – die superdichten, schnell rotierenden Überreste eines Sterns, der in einer Supernova explodierte – der seinen Begleiter langsam erodiert.

Ein internationales Team von Wissenschaftlern hat über ein Jahrzehnt Fermi-Beobachtungen durchforstet, um sieben Spinnen zu finden, die diese Finsternisse durchlaufen, die auftreten, wenn der massearme Begleitstern aus unserer Sicht vor dem Pulsar vorbeizieht. Anhand der Daten konnten sie berechnen, wie sich die Systeme relativ zu unserer Sichtlinie und anderen Informationen neigen.

„Eines der wichtigsten Ziele beim Studium von Spinnen ist der Versuch, die Massen der Pulsare zu messen“, sagte Colin Clark, Astrophysiker am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Hannover, Deutschland, der die Arbeit leitete. „Pulsare sind im Grunde Kugeln aus der dichtesten Materie, die wir messen können. Die maximale Masse, die sie erreichen können, schränkt die Physik in diesen extremen Umgebungen ein, die auf der Erde nicht repliziert werden können.“

Ein Papier über die Studie wurde am 26. Januar veröffentlicht Naturastronomie.

Spinnensysteme entwickeln sich, weil sich ein Stern in einem Binärsystem schneller entwickelt als sein Partner. Wenn der massereichere Stern zur Supernova wird, hinterlässt er einen Pulsar. Dieser Sternüberrest sendet Lichtstrahlen mit mehreren Wellenlängen aus, einschließlich Gammastrahlen, die in unser Blickfeld hinein und wieder heraus rauschen und dabei so regelmäßige Pulse erzeugen, dass sie mit der Präzision von Atomuhren mithalten können.

Schon früh „ernährt“ sich ein Spinnenpulsar von seinem Begleiter, indem er einen Gasstrom absaugt. Während sich das System weiterentwickelt, stoppt die Nahrungszufuhr, da der Pulsar beginnt, sich schneller zu drehen, wodurch Partikelausflüsse und Strahlung erzeugt werden, die die dem Begleiter zugewandte Seite überhitzen und ihn erodieren.

Wissenschaftler teilen Spinnensysteme in zwei Arten ein, die nach Spinnenarten benannt sind, deren Weibchen manchmal ihre kleineren Partner fressen. Schwarze Witwen enthalten Gefährten mit weniger als 5% der Sonnenmasse. Redback-Systeme beherbergen größere Begleiter, sowohl in Größe als auch in Masse, die zwischen 10% und 50% der Sonne wiegen.

„Vor Fermi kannten wir nur eine Handvoll Pulsare, die Gammastrahlen aussendeten“, sagte Elizabeth Hays, Wissenschaftlerin des Fermi-Projekts am Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt, Maryland. „Nach über einem Jahrzehnt der Beobachtungen hat die Mission über 300 identifiziert und einen langen, nahezu ununterbrochenen Datensatz gesammelt, der es der Gemeinschaft ermöglicht, bahnbrechende Wissenschaft zu betreiben.“

Forscher können die Massen von Spinnensystemen berechnen, indem sie ihre Orbitalbewegungen messen. Beobachtungen mit sichtbarem Licht können messen, wie schnell sich der Begleiter fortbewegt, während Radiomessungen die Geschwindigkeit des Pulsars enthüllen. Diese beruhen jedoch auf der Bewegung auf uns zu und von uns weg. Für ein nahezu frontales System sind solche Änderungen geringfügig und möglicherweise verwirrend. Die gleichen Signale könnten auch von einem kleineren, langsamer umlaufenden System erzeugt werden, das von der Seite gesehen wird. Die Kenntnis der Neigung des Systems relativ zu unserer Sichtlinie ist für die Messung der Masse von entscheidender Bedeutung.

Der Neigungswinkel wird normalerweise mit sichtbarem Licht gemessen, aber diese Messungen sind mit einigen potenziellen Komplikationen verbunden. Während der Begleiter den Pulsar umkreist, kommt seine überhitzte Seite ins Sichtfeld und wieder heraus, wodurch eine Schwankung des sichtbaren Lichts entsteht, die von der Neigung abhängt. Astronomen lernen jedoch immer noch etwas über den Überhitzungsprozess, und Modelle mit unterschiedlichen Erwärmungsmustern sagen manchmal unterschiedliche Pulsarmassen voraus.

Gammastrahlen werden jedoch nur vom Pulsar erzeugt und haben so viel Energie, dass sie sich in einer geraden Linie ausbreiten, unbeeinflusst von Trümmern, sofern sie nicht vom Begleiter blockiert werden. Wenn Gammastrahlen aus dem Datensatz eines Spinnensystems verschwinden, können Wissenschaftler darauf schließen, dass der Begleiter den Pulsar verdunkelt hat. Von dort aus können sie die Neigung des Systems in unsere Sichtlinie, die Geschwindigkeiten der Sterne und die Masse des Pulsars berechnen.

PSR B1957+20, oder kurz B1957, war die erste bekannte Schwarze Witwe, die 1988 entdeckt wurde. Frühere Modelle für dieses System, die anhand von Beobachtungen im sichtbaren Licht gebaut wurden, stellten fest, dass es um etwa 65 Grad in unsere Sichtlinie und die des Pulsars gekippt war Die Masse betrug das 2,4-fache der Sonne. Damit wäre B1957 der schwerste bekannte Pulsar, der die theoretische Massengrenze zwischen Pulsar und Schwarzem Loch überspannt.

Durch die Betrachtung der Fermi-Daten fanden Clark und sein Team 15 fehlende Gammastrahlen-Photonen. Das Timing der Gammastrahlenpulse von diesen Objekten ist so zuverlässig, dass 15 fehlende Photonen über ein Jahrzehnt signifikant genug sind, dass das Team feststellen könnte, dass das System sich verfinstert. Sie berechneten dann, dass der Doppelstern um 84 Grad geneigt ist und der Pulsar nur 1,8-mal so viel wiegt wie die Sonne.

„Es gibt eine Suche nach massiven Pulsaren, und diese Spinnensysteme gelten als eine der besten Möglichkeiten, sie zu finden“, sagte Matthew Kerr, Mitautor der neuen Veröffentlichung und Forschungsphysiker am US Naval Research Laboratory in Washington . „Sie haben einen sehr extremen Massentransferprozess vom Begleitstern zum Pulsar durchlaufen. Sobald wir diese Modelle wirklich fein abgestimmt haben, werden wir mit Sicherheit wissen, ob diese Spinnensysteme massereicher sind als der Rest der Pulsarpopulation .“