Astronomen scannen 800 Pulsare, um zu sehen, ob einer von ihnen Planeten hat

Astronomen entdeckten 1992 die ersten Exoplaneten. Sie fanden ein Paar von ihnen, das den Pulsar PSR B1257+12 etwa 2.300 Lichtjahre von der Sonne entfernt umkreist. Zwei Jahre später entdeckten sie den dritten Planeten im System.

Jetzt versucht ein Team von Astronomen, dieses Kunststück zu wiederholen, indem es 800 bekannte Pulsare nach Exoplaneten durchsucht.

Das Astronomenteam stammt vom Jodrell Bank Centre for Astrophysics an der University of Manchester. Die Jodrell Bank hat eine Gruppe, die an Pulsaren und Astrophysik im Zeitbereich arbeitet. Pulsare sind aus verschiedenen Gründen interessante Objekte, und die Jodrell Bank überwacht im Rahmen ihrer Arbeit 800 Pulsare.

Das Team stellt seine Ergebnisse in einem Artikel mit dem Titel „Eine Suche nach planetarischen Begleitern rund um 800 Pulsare aus dem Pulsar-Timing-Programm der Jodrell Bank“ vor. Die Erstautorin des Papiers ist Iuliana Niţu, und das Papier wird im veröffentlicht Monatliche Mitteilungen der Royal Astronomical Society.

Jocelyn Bell Burnell, eine Astrophysikerin aus Nordirland, entdeckte 1967 den ersten Pulsar. Es dauerte eine Weile, bis sie und ein anderer Astrophysiker herausfanden, was sie waren. Es gab die üblichen Spekulationen über außerirdische Quellen, aber als andere Pulsare entdeckt und untersucht wurden, wurde klar, dass es sich um natürlich vorkommende Objekte handelte.

Pulsare sind schnell rotierende Neutronensterne, die stark magnetisiert sind und Strahlen elektromagnetischer Strahlung von ihren Polen aussenden. Wenn einer der Pole auf die Erde gerichtet ist, können wir sie sehen, ähnlich wie einen Leuchtturm. Es ist bekannt, dass Pulsare Radio, sichtbares Licht, Röntgenstrahlen und sogar Gammastrahlen aussenden. Wenn sich ein Pulsar dreht, ist der Strahl in Intervallen von nur wenigen Millisekunden sichtbar und dann unsichtbar. Die Intervalle sind sehr präzise – genauer als eine Atomuhr – und das macht Pulsare zu nützlichen Werkzeugen für Astronomen.

Ihre genauen Intervalle machen sie ideal für die Suche nach Planeten in ihrer Umgebung. Selbst eine geringfügige Abweichung in ihrem Timing bedeutet, dass sich der Pulsar hin und her bewegt. Das bedeutet, dass ein oder mehrere Planeten daran ziehen könnten. Die Suche nach Exoplaneten in der Nähe von Pulsaren wird als Pulsar-Timing-Methode bezeichnet.

Die Transitmethode ist die gebräuchlichere Methode zur Suche nach Exoplaneten. Dazu gehört, das Licht eines Sterns zu beobachten und nach regelmäßigen Einbrüchen in seinem Licht zu suchen. Ein Einbruch im Sternenlicht könnte die Anwesenheit eines Planeten signalisieren, der vor dem Stern vorbeizieht, und wenn der Einbruch regelmäßig wiederholt wird, ist dies ein Beweis für eine Umlaufbahn. Wissenschaftler finden die meisten Exoplaneten mit dieser Methode, obwohl häufig Folgemessungen mit anderen Methoden verwendet werden, um die Anwesenheit eines Planeten zu bestätigen.

Ein Problem bei der Transitmethode ist ihre inhärente Auswahlverzerrung. Es ist viel einfacher, große Planeten zu entdecken, weil sie mehr Sternenlicht blockieren. Es ist auch einfacher, Planeten zu finden, die in der Nähe ihrer Sterne kreisen, da sie schneller umkreisen und häufiger Einbrüche im Sternenlicht verursachen.

Aber das Pulsar-Timing ist anders. Da das Pulsar-Timing so präzise ist, können sogar kleine Planeten an Pulsaren genug ziehen, um ihre Anwesenheit zu signalisieren. Die Anfang der 1990er Jahre um PSR B1257+12 entdeckten Planeten waren kleiner als die meisten Exoplaneten, die mit der Transitmethode gefunden wurden. Der kleinste der drei war nur 0,002 Erdmassen. Ab 2019 war der kleinste Exoplanet, der jemals mit der Transitmethode gefunden wurde, 80 % der Größe der Erde.

Diese neue Anstrengung, Exoplaneten in der Nähe von 800 Pulsaren zu finden, unterscheidet sich von anderen Bemühungen zur Planetenjagd. Diese Bemühungen sind kein neues Umfrage- oder Überwachungsprogramm. Stattdessen basiert es auf der Suche nach den vorhandenen Daten zu Pulsaren im Jodrell Bank Center. „Der in dieser Arbeit verwendete Datensatz besteht aus Beobachtungen von etwa 800 Pulsaren aus der Jodrell Bank Pulsar Timing Database“, erklären die Autoren.

Aber wie hoch ist die Wahrscheinlichkeit, weitere Exoplaneten um Pulsare herum zu finden? Pulsare sind extreme Objekte mit einer langen Geschichte, die von episodischen Katastrophen unterbrochen wird. „Die offensichtliche Seltenheit von Systemen wie dem von PSR B1257+12 ist möglicherweise eine Folge der extremen Bedingungen, unter denen sich Pulsare bilden“, schreiben die Autoren.

Pulsare sind Neutronensterne, und Neutronensterne haben katastrophale Ursprünge. Sie beginnen als massereiche Sterne zwischen etwa 10 und 25 Sonnenmassen. Am Ende ihres Lebens der regulären Fusion explodieren diese Sterne als Supernovae und kollabieren dann zu ultradichten Neutronensternen, die aus entarteter Neutronenmaterie bestehen. Es ist höchst unwahrscheinlich, dass ein Planet all das überleben könnte.

Könnten sich nach der Supernova Planeten bilden? Vielleicht. Die Autoren erklären ein mögliches Szenario, in dem sich ein Planet um ein Doppelsternpaar bildet und dann nach einer Kollision zwischen den beiden Sternen vom Neutronenstern eingefangen wird. Der Planet könnte auch „… die nachfolgende Entwicklung des ursprünglichen Systems zu einem Neutronensternsystem überlebt haben“.

„Das resultierende System würde aus einem normalen Pulsar mit planetarischen Begleitern in exzentrischen Umlaufbahnen bestehen“, schreiben sie, obwohl diese Art von Planeten sehr selten wäre. Es würde eine sehr fein abgestimmte Umgebung erfordern, damit Planeten überleben können.

Ein zweites Szenario könnte wahrscheinlicher sein. In diesem Fall stößt die Supernova bei ihrer Explosion eine enorme Menge an Material aus und schleudert es mit hoher Geschwindigkeit in den Weltraum. Aber ein Teil der Materie könnte der Schwerkraft des verbleibenden Neutronensterns nicht entkommen. Stattdessen bildet es eine protoplanetare Scheibe und Planeten bilden sich durch Akkretion. In diesem Fall „wird ein normaler Pulsar erwartet, der von Planeten mit relativ kleiner Masse in kreisförmigen Umlaufbahnen umgeben ist“, sagen die Autoren.

Auch ein drittes Szenario ist möglich. In diesem Fall ist ein Planet eigentlich ein Überbleibsel eines Neutronensterns in einem binären Paar von Neutronensternen. Einer der Neutronensterne stört den anderen oder lässt den anderen teilweise verdampfen. Der verbliebene Kern ist jetzt ein Planet, der fast ausschließlich aus Diamanten besteht.

Das sind nur drei der Planetenbildungsmöglichkeiten rund um Pulsare. Eine der Motivationen hinter der Suche nach weiteren Pulsarplaneten besteht darin, diese Möglichkeiten auf einen besser verständlichen Rahmen einzugrenzen. „Insgesamt gibt es eine große Anzahl von vorgeschlagenen Entstehungspfaden von Planeten um Pulsare, und daher sind groß angelegte Suchen nach planetaren Massenbegleitern und ihren Bahnparametern entscheidend, um die Machbarkeit verschiedener Modelle einzuschränken und zu bestimmen“, erklären die Autoren.

Trotz der Präzision des Pulsar-Timings gibt es noch einige Probleme. Eine Art Rauschen kann sich in die Messungen einschleichen. „… die Erkennbarkeit von Planeten um Pulsare wird auch durch das Vorhandensein von sogenanntem „Timing Noise“ eingeschränkt, das sich als langfristiger roter Rauschprozess in der Rotation des Pulsars manifestiert. Dies stellt eine weitere Herausforderung bei der Suche nach planetaren Begleitern dar, da es binäre Signaturen nicht nur maskieren, sondern auch nachahmen kann“, schreiben die Autoren.

Bevor das Team seine Ergebnisse erhalten konnte, musste es die Wirkung modellieren, die ein Planet auf einen Pulsar hat. Eine Kombination aus Pulsar und Planet lässt sich am besten als binäres Paar modellieren. „Wenn ein Pulsar Teil eines binären Systems ist (entweder mit einem Stern oder einem Planeten), dreht er sich um den Massenmittelpunkt des Systems und bewegt sich in Bezug auf den Beobachter auf der Erde“, erklären sie. Diese Bewegung erzeugt eine leichte Verzögerung des Signals, das die Erde erreicht. Diese Verzögerung wird Rømer-Verzögerung genannt.

Das Forscherteam nutzte diese Faktoren und viele andere, um seine Analysemethode zu entwickeln. Bei Arbeiten wie dieser gibt es notwendige Grenzen, und die wichtigste betrifft Exoplanetenmassen. „Wir setzen den projizierten Massen aller planetarischen Begleiter Grenzen, die bis zu 1/100 der Mondmasse (etwa 10-4 Erdmassen) erreichen.“ Obwohl das eine Grenze ist, ist es ein außergewöhnlich kleiner Planet, den man entdecken kann.

„Dieser Ansatz eignet sich gut für eine systematische Suche nach Planeten in der Umgebung von Pulsaren, um die Masse umlaufender Himmelskörper zu begrenzen und damit auf statistisch signifikante Eigenschaften der Population dieser Planeten zu schließen“, fassten die Forscher ihren Gesamtansatz zusammen .“

Was haben sie also gefunden?

„Wir stellen fest, dass zwei Drittel unserer Pulsare höchstwahrscheinlich keine Begleiter mit mehr als 2 bis 8 Erdmassen beherbergen“, sagt das Team. „Unsere Ergebnisse implizieren, dass weniger als 0,5 % der Pulsare terrestrische Planeten beherbergen könnten, die so groß sind wie die, von denen bekannt ist, dass sie PSR B1257+12 umkreisen (etwa 4 Erdmassen).“ PSR B1257+12 ist der erste Pulsar, um den 1992 Planeten gefunden wurden. Er dient als eine Art Benchmark für Pulsar-Planetensysteme.

Es gibt jedoch mindestens eine Einschränkung bei diesen Ergebnissen, und sie bezieht sich auf Planeten mit geringer Masse. „… der kleinere Planet in diesem System (etwa 0,02 Erdmassen) wäre jedoch in 95 % unserer Probe nicht nachweisbar, verborgen sowohl durch instrumentelle als auch durch intrinsische Rauschprozesse…“ Das Team weist auch darauf hin, dass es nicht klar ist, ob winzige Planeten so sind isoliert existieren könnte.

15 der Pulsare in der Probe wiesen einige Unregelmäßigkeiten auf, aber sie waren nicht unbedingt Planeten. Das Team erklärt, dass die starke Magnetosphäre um Pulsare unregelmäßige Periodizitäten verursachen kann. „Wir erkennen signifikante Periodizitäten in 15 Pulsaren, stellen jedoch fest, dass intrinsische quasi-periodische magnetosphärische Effekte den Einfluss eines Planeten nachahmen können, und für die meisten dieser Fälle glauben wir, dass dies der Ursprung der nachgewiesenen Periodizität ist.“

In ihrer abschließenden Analyse scheint es, dass Pulsarplaneten sehr selten sind. Nur ein einziger Pulsar der 800 ist ein wahrscheinlicher Kandidat für einen Planeten. „Wir glauben, dass der plausibelste Kandidat für planetare Begleiter in unserer Stichprobe PSR J2007+3120 ist.“

PSR J2007+3120 könnte ein Planetenpaar beherbergen. „Unsere anfängliche Analyse von PSR J2007+3120 ergab eine Oszillation, die mit einem planetaren Begleiter mit einer Umlaufzeit von 723 (8) Tagen übereinstimmt“, schreiben die Autoren. Der Beweis für den zweiten Planeten ist nicht so stark und könnte nur Rauschen sein. „… es gibt keine starke Präferenz zwischen einer roten Rauschkomponente und dem zweiten Planeten“, erklären sie.

Am Ende fand das Team nicht viele Planeten. Nur einer der 800 Pulsare zeigt starke Beweise für Planeten, und der Beweis für den zweiten Planeten um PSR J2007+3120 ist nicht sehr robust. Was sagt uns das über Pulsare und Planeten? Zum einen zeigt es, wie ungewöhnlich das System PSR B1257+12 mit drei Planeten ist.

„Wir bestätigen, dass PSR B1257+12 einen ungewöhnlichen Entstehungsmechanismus haben muss, der eine Obergrenze von 0,5 % an Pulsaren mit ähnlichen Planeten setzt.“ Das Team sagt auch, dass es eine Population massereicherer Pulsarplaneten ausschließen kann. „Wir schließen eine Population unentdeckter planetarer Begleiter aus, die größer als etwa 10 Erdmassen sind“, schreiben sie in der Schlussfolgerung.

Aber sie können eine Population viel kleinerer Planeten nicht ausschließen. Einige dieser Planeten könnten im Rauschen verborgen sein. „Das in den meisten Pulsaren vorhandene Timing-Rauschen bedeutet, dass wir eine beträchtliche Population von winzigen (

„Wir bestätigen daher die Hypothese, dass die Bildung von Planeten um Pulsare selten ist und PSR B1257+12 ein Sonderfall ist“, schlussfolgern sie. Vorerst bleibt er der einzige Pulsar, der erdgroße Planeten beherbergt.

Wenn sich die Technologie verbessert, haben Astronomen möglicherweise effektivere Möglichkeiten, kleinere Planeten um Pulsare herum zu finden und das Rauschen im Signal zu entfernen. Diese Bemühungen werden nicht das letzte Wort auf Pulsarplaneten sein.

Was die Bewohnbarkeit betrifft, ist das äußerst unwahrscheinlich. Die Region um Pulsare ist extrem rau. Starke Magnetfelder könnten auf allen Planeten in der Nähe verheerende Schäden anrichten. Und Pulsare sind Neutronensterne, also findet keine Fusion statt. Sie sind kaum mehr als Asche, obwohl sie immer noch extrem heiß sein können. Einige der Planeten, die Pulsare umgeben, sind nicht mehr als die gesprengten Überreste eines stellaren Begleiters eines Pulsars und bestehen möglicherweise aus reinem Diamant. Andere sind erbeutete Objekte.

Aber in dieser Studie ging es nie um Bewohnbarkeit. Es soll einige der ungewöhnlichsten Objekte im Universum untersuchen. Könnten diese extrem dichten Endzustandssterne aus entarteter Neutronenmaterie, Sterne, die sich schnell drehen und extreme Magnetfelder erzeugen, Planeten beherbergen?

Nicht sehr häufig.