Astronomen entdecken möglicherweise 21 Neutronensterne, die sonnenähnliche Sterne umkreisen

Die meisten Sterne in unserem Universum kommen paarweise vor. Unsere Sonne ist ein Einzelgänger, aber viele Sterne wie unsere Sonne umkreisen ähnliche Sterne. Im Universum wimmelt es von einer Vielzahl anderer exotischer Paare aus Sternen und kosmischen Himmelskörpern. Schwarze Löcher zum Beispiel umkreisen einander oft. Eine Paarung, die sich als ziemlich selten erwiesen hat, ist die zwischen einem sonnenähnlichen Stern und einem Typ toter Sterne, einem sogenannten Neutronenstern.

Nun haben Astronomen unter der Leitung von Kareem El-Badry vom Caltech offenbar 21 Neutronensterne entdeckt, die sonnenähnliche Sterne umkreisen. Neutronensterne sind dichte ausgebrannte Kerne explodierter massereicher Sterne. Für sich genommen sind sie extrem lichtschwach und können normalerweise nicht direkt erkannt werden. Doch wenn ein Neutronenstern einen sonnenähnlichen Stern umkreist, zieht er an seinem Begleiter, wodurch der Stern am Himmel hin und her schwankt. Mithilfe der Gaia-Mission der Europäischen Weltraumorganisation konnten die Astronomen diese verräterischen Schwankungen aufzeichnen und so eine neue Population dunkler Neutronensterne entdecken.

„Gaia scannt kontinuierlich den Himmel und misst die Taumelbewegungen von mehr als einer Milliarde Sternen. Die Chancen stehen also gut, auch sehr seltene Objekte zu finden“, sagt El-Badry, Assistenzprofessor für Astronomie am Caltech und außerordentlicher Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Astronomie in Deutschland.

Die neue Studie, an der ein Team von Koautoren aus der ganzen Welt beteiligt ist, wurde veröffentlicht In Das offene Journal für Astrophysik. Daten von mehreren erdgebundenen Teleskopen, darunter dem WM Keck-Observatorium auf Mauna Kea, Hawaii, dem La Silla-Observatorium in Chile und dem Whipple-Observatorium in Arizona, wurden verwendet, um die Gaia-Beobachtungen weiter zu verfolgen und mehr über die Massen und Umlaufbahnen der verborgenen Neutronensterne zu erfahren.

Zwar wurden Neutronensterne bereits früher in Umlaufbahnen um sonnenähnliche Sterne entdeckt, diese Systeme waren jedoch alle kompakter. Da die beiden Körper nur einen geringen Abstand voneinander haben, kann ein Neutronenstern (der schwerer ist als ein sonnenähnlicher Stern) seinem Partner Masse entreißen. Dieser Massetransferprozess lässt den Neutronenstern bei Röntgen- oder Radiowellenlängen hell leuchten. Im Gegensatz dazu sind die Neutronensterne in der neuen Studie viel weiter von ihren Partnern entfernt – etwa ein- bis dreimal so weit wie die Entfernung zwischen Erde und Sonne.

Das bedeutet, dass die neu entdeckten Sternentöchter zu weit von ihren Partnern entfernt sind, um ihnen Material zu stehlen. Stattdessen sind sie ruhig und dunkel. „Dies sind die ersten Neutronensterne, die allein aufgrund ihrer Gravitationseffekte entdeckt wurden“, sagt El-Badry.

Die Entdeckung kommt ziemlich überraschend, weil unklar ist, wie ein explodierter Stern neben einem Stern wie unserer Sonne landet.

„Wir haben noch immer kein vollständiges Modell für die Entstehung dieser Doppelsterne“, erklärt El-Badry. „Grundsätzlich müsste der Vorläufer des Neutronensterns riesig geworden sein und während seiner späten Entwicklungsphase mit dem sonnenähnlichen Stern wechselwirken.“ Der riesige Stern hätte den kleinen Stern herumgeschleudert und ihn wahrscheinlich vorübergehend verschlungen. Später wäre der Vorläufer des Neutronensterns in einer Supernova explodiert, die den Modellen zufolge die Doppelsternsysteme getrennt und die Neutronensterne und sonnenähnlichen Sterne in entgegengesetzte Richtungen geschleudert hätte.

„Die Entdeckung dieser neuen Systeme zeigt, dass zumindest einige Doppelsterne diese kataklysmischen Prozesse überleben, auch wenn die Modelle noch nicht vollständig erklären können, wie das geht“, sagt er.

Gaia konnte die unwahrscheinlichen Begleiter aufgrund ihrer weiten Umlaufbahnen und langen Perioden entdecken (die sonnenähnlichen Sterne umkreisen die Neutronensterne mit Perioden von sechs Monaten bis drei Jahren).

„Wenn die Himmelskörper zu nahe beieinander sind, ist die Schwankung zu gering, um sie zu erkennen“, sagt El-Badry. „Bei Gaia sind wir empfindlicher gegenüber den weiteren Umlaufbahnen.“ Gaia ist auch am empfindlichsten gegenüber relativ nahe beieinander liegenden Doppelsternen. Die meisten der neu entdeckten Systeme liegen innerhalb von 3.000 Lichtjahren von der Erde – eine relativ kleine Entfernung im Vergleich beispielsweise zum Durchmesser der Milchstraße von 100.000 Lichtjahren.

Die neuen Beobachtungen lassen auch darauf schließen, wie selten solche Paarungen sind. „Wir schätzen, dass etwa einer von einer Million sonnenähnlicher Sterne einen Neutronenstern in einer weiten Umlaufbahn umkreist“, bemerkt er.

El-Badry interessiert sich auch für die Suche nach unsichtbaren, ruhenden Schwarzen Löchern in der Umlaufbahn sonnenähnlicher Sterne. Mithilfe von Gaia-Daten hat er zwei dieser ruhigen Schwarzen Löcher in unserer Galaxie gefunden. Eines davon, Gaia BH1 genannt, ist mit 1.600 Lichtjahren Entfernung das der Erde am nächsten gelegene bekannte Schwarze Loch.

„Wir wissen auch nicht genau, wie diese Doppelsterne aus schwarzen Löchern entstanden sind“, sagt El-Badry. „Es gibt eindeutig Lücken in unseren Modellen zur Evolution von Doppelsternen. Wenn wir mehr dieser dunklen Begleiter finden und ihre Populationsstatistiken mit den Vorhersagen verschiedener Modelle vergleichen, können wir herausfinden, wie sie entstehen.“