Astronomen entdecken eine seltene „schwarze Witwe“ mit der bisher kürzesten Umlaufbahn

Das Aufblitzen eines nahen Sterns hat MIT-Astronomen zu einem neuen und mysteriösen System geführt, das 3.000 Lichtjahre von der Erde entfernt ist. Die stellare Kuriosität scheint eine neue „schwarze Witwe“ zu sein – ein sich schnell drehender Neutronenstern oder Pulsar, der einen kleineren Begleitstern umkreist und langsam verzehrt, wie es sein Arachniden-Namensvetter mit seinem Partner tut.

Astronomen kennen etwa zwei Dutzend Doppelsterne der Schwarzen Witwe in der Milchstraße. Dieser neueste Kandidat mit dem Namen ZTF J1406+1222 hat die kürzeste Umlaufzeit, die bisher identifiziert wurde, wobei der Pulsar und der Begleitstern sich alle 62 Minuten umkreisen. Das System ist insofern einzigartig, als es einen dritten, weit entfernten Stern zu beherbergen scheint, der alle 10.000 Jahre um die beiden inneren Sterne kreist.

Diese wahrscheinlich dreifache Schwarze Witwe wirft Fragen darüber auf, wie sich ein solches System hätte bilden können. Basierend auf seinen Beobachtungen schlägt das MIT-Team eine Entstehungsgeschichte vor: Wie bei den meisten Doppelsternsystemen der Schwarzen Witwe entstand das Dreifachsystem wahrscheinlich aus einer dichten Konstellation alter Sterne, die als Kugelsternhaufen bekannt ist. Dieser besondere Haufen ist möglicherweise in das Zentrum der Milchstraße gedriftet, wo die Schwerkraft des zentralen Schwarzen Lochs ausreichte, um den Haufen auseinander zu ziehen, während die dreifache Schwarze Witwe intakt blieb.

„Es ist ein kompliziertes Geburtsszenario“, sagt Kevin Burdge, ein Pappalardo Postdoctoral Fellow am Department of Physics des MIT. „Dieses System schwebt wahrscheinlich schon länger in der Milchstraße herum, als es die Sonne gibt.“

Burdge ist Autor einer Studie, die in erscheint Natur das beschreibt die Entdeckung des Teams. Die Forscher nutzten einen neuen Ansatz, um das Tripelsystem aufzuspüren. Während die meisten Doppelsterne der Schwarzen Witwe durch die Gamma- und Röntgenstrahlung des zentralen Pulsars gefunden werden, verwendete das Team sichtbares Licht und insbesondere das Blitzen des Begleitsterns des Doppelsterns, um ZTF J1406+1222 zu entdecken.

„Dieses System ist für Schwarze Witwen wirklich einzigartig, weil wir es mit sichtbarem Licht gefunden haben, und wegen seines breiten Begleiters und der Tatsache, dass es aus dem galaktischen Zentrum kam“, sagt Burdge. „Es gibt noch vieles, was wir darüber nicht verstehen. Aber wir haben eine neue Art, nach diesen Systemen am Himmel zu suchen.“

Die Co-Autoren der Studie sind Mitarbeiter mehrerer Institutionen, darunter die University of Warwick, Caltech, die University of Washington, die McGill University und die University of Maryland.

Tag-und Nacht

Schwarze Witwen-Binärdateien werden von Pulsaren angetrieben – sich schnell drehende Neutronensterne, die die kollabierten Kerne massereicher Sterne sind. Pulsare haben eine schwindelerregende Rotationsperiode, in der sie sich alle paar Millisekunden drehen und dabei Blitze hochenergetischer Gamma- und Röntgenstrahlen aussenden.

Normalerweise drehen Pulsare nach unten und sterben schnell, da sie eine riesige Menge an Energie verbrennen. Aber hin und wieder kann ein vorbeiziehender Stern einem Pulsar neues Leben einhauchen. Wenn sich ein Stern nähert, zieht die Schwerkraft des Pulsars Material vom Stern ab, das neue Energie liefert, um den Pulsar wieder hochzudrehen. Der „recycelte“ Pulsar beginnt dann, Energie zurückzustrahlen, die den Stern weiter abstreift und ihn schließlich zerstört.

„Diese Systeme werden schwarze Witwen genannt, weil der Pulsar das Ding, das ihn recycelt hat, irgendwie verbraucht, so wie die Spinne ihren Partner frisst“, sagt Burdge.

Bis heute wurde jede Binärdatei der Schwarzen Witwe durch Gamma- und Röntgenblitze des Pulsars entdeckt. Zunächst stieß Burdge durch das optische Aufblitzen des Begleitsterns auf ZTF J1406+1222.

Es stellt sich heraus, dass die Tagseite des Begleitsterns – die Seite, die ständig dem Pulsar zugewandt ist – aufgrund der konstanten hochenergetischen Strahlung, die sie vom Pulsar empfängt, um ein Vielfaches heißer sein kann als seine Nachtseite.

„Ich dachte, anstatt direkt nach dem Pulsar zu suchen, versuche, nach dem Stern zu suchen, den er kocht“, erklärt Burdge.

Er argumentierte, dass, wenn Astronomen einen Stern beobachten, dessen Helligkeit sich periodisch stark ändert, dies ein starkes Signal dafür wäre, dass er sich in einem Binärsystem mit einem Pulsar befindet.

Sternbewegung

Um diese Theorie zu testen, haben Burdge und seine Kollegen optische Daten durchgesehen, die von der Zwicky Transient Facility aufgenommen wurden, einem Observatorium in Kalifornien, das Weitwinkelaufnahmen des Nachthimmels macht. Das Team untersuchte die Helligkeit von Sternen, um festzustellen, ob sich diese in einem Zeitraum von etwa einer Stunde oder weniger dramatisch um den Faktor 10 oder mehr veränderten – Zeichen, die auf die Anwesenheit eines Begleitsterns hindeuten, der eng um einen Pulsar kreist.

Das Team war in der Lage, das Dutzend bekannter Binärdateien der Schwarzen Witwe auszuwählen und die Genauigkeit der neuen Methode zu validieren. Dann entdeckten sie einen Stern, dessen Helligkeit sich alle 62 Minuten um den Faktor 13 änderte, was darauf hinweist, dass er wahrscheinlich Teil einer neuen Binärdatei der Schwarzen Witwe war, die sie als ZTF J1406+1222 bezeichneten.

Sie suchten den Stern in Beobachtungen auf, die von Gaia gemacht wurden, einem Weltraumteleskop, das von der Europäischen Weltraumorganisation betrieben wird und genaue Messungen der Position und Bewegung von Sternen am Himmel durchführt. Beim Rückblick auf jahrzehntealte Messungen des Sterns aus der Sloan Digital Sky Survey stellte das Team fest, dass die Binärdatei von einem anderen entfernten Stern verfolgt wurde. Ihren Berechnungen nach zu urteilen, schien dieser dritte Stern alle 10.000 Jahre die innere Binärdatei zu umkreisen.

Seltsamerweise haben die Astronomen die Gamma- oder Röntgenstrahlung des Pulsars nicht direkt in der Binärdatei nachgewiesen, was die typische Art und Weise ist, wie Schwarze Witwen bestätigt werden. ZTF J1406+1222 gilt daher als Kandidat für eine Binärdatei der Schwarzen Witwe, was das Team mit zukünftigen Beobachtungen zu bestätigen hofft.

„Das einzige, was wir sicher wissen, ist, dass wir einen Stern sehen, dessen Tagseite viel heißer ist als die Nachtseite, der alle 62 Minuten um etwas kreist“, sagt Burdge. „Alles scheint darauf hinzudeuten, dass es sich um eine schwarze Witwe handelt. Aber es gibt ein paar seltsame Dinge daran, also ist es möglich, dass es etwas völlig Neues ist.“

Das Team plant, das neue System weiter zu beobachten und die optische Technik anzuwenden, um mehr Neutronensterne und Schwarze Witwen am Himmel zu beleuchten.