Am 5. Oktober 2020 änderte die sich schnell drehende Leiche eines längst verstorbenen Sterns, etwa 30.000 Lichtjahre von der Erde entfernt, ihre Geschwindigkeit. In einem kosmischen Augenblick verlangsamte sich seine Drehung. Und ein paar Tage später fing es plötzlich an, Radiowellen auszusenden.
Dank rechtzeitiger Messungen von spezialisierten Orbitalteleskopen konnten der Astrophysiker Matthew Baring von der Rice University und seine Kollegen eine neue Theorie über eine mögliche Ursache für die seltene Verlangsamung oder „Anti-Glitch“ von SGR 1935+2154, einem hochmagnetischen Typ, testen Neutronenstern, bekannt als Magnetar.
In einer Studie diesen Monat erschienen in NaturastronomieBaring und Co-Autoren verwendeten Röntgendaten der X-ray Multi-Mirror Mission der European Space Agency (XMM-Newton) und dem Neutron Star Interior Composition Explorer der NASA (SCHÖNER), um die Rotation des Magnetars zu analysieren. Sie zeigten, dass die plötzliche Verlangsamung durch einen vulkanähnlichen Bruch auf der Oberfläche des Sterns verursacht worden sein könnte, der einen „Wind“ massiver Partikel in den Weltraum schleuderte. Die Forschung identifizierte, wie ein solcher Wind die Magnetfelder des Sterns verändern und Bedingungen schaffen könnte, die wahrscheinlich die Radioemissionen einschalten würden, die anschließend von Chinas 500-Meter-Aperture Spherical Telescope gemessen wurden (SCHNELL).
„Die Leute haben spekuliert, dass Neutronensterne auf ihrer Oberfläche das Äquivalent von Vulkanen haben könnten“, sagte Baring, Professor für Physik und Astronomie. „Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass dies der Fall sein könnte und dass der Bruch in diesem Fall höchstwahrscheinlich am oder in der Nähe des Magnetpols des Sterns stattfand.“
SGR 1935+2154 und andere Magnetare sind eine Art Neutronenstern, die kompakten Überreste eines toten Sterns, der unter starker Schwerkraft kollabierte. Etwa ein Dutzend Meilen breit und so dicht wie der Kern eines Atoms, Magnetare drehen sich einmal alle paar Sekunden und weisen die intensivsten Magnetfelder im Universum auf.
Magnetare geben intensive Strahlung ab, einschließlich Röntgenstrahlen und gelegentlich Radiowellen und Gammastrahlen. Astronomen können aus diesen Emissionen viel über die ungewöhnlichen Sterne entschlüsseln. Durch das Zählen von Röntgenpulsen können Physiker beispielsweise die Rotationsperiode eines Magnetars berechnen, oder die Zeit, die für eine vollständige Rotation benötigt wird, wie dies die Erde an einem Tag tut. Die Rotationsperioden von Magnetaren ändern sich normalerweise langsam, und es dauert Zehntausende von Jahren, um sich um eine einzige Umdrehung pro Sekunde zu verlangsamen.
Glitches sind abrupte Erhöhungen der Rotationsgeschwindigkeit, die am häufigsten durch plötzliche Verschiebungen tief im Inneren des Sterns verursacht werden, sagte Baring.
„Bei den meisten Störungen wird die Pulsationsperiode kürzer, was bedeutet, dass sich der Stern etwas schneller dreht als zuvor“, sagte er. „Die Lehrbucherklärung lautet, dass sich die äußeren, magnetisierten Schichten des Sterns mit der Zeit verlangsamen, der innere, nicht magnetisierte Kern jedoch nicht. Dies führt zu einem Spannungsaufbau an der Grenze zwischen diesen beiden Regionen und einem Glitch-Signal eine plötzliche Übertragung von Rotationsenergie vom sich schneller drehenden Kern auf die sich langsamer drehende Kruste.
Abrupte Rotationsverlangsamungen von Magnetaren sind sehr selten. Astronomen haben nur drei der „Anti-Glitchs“ aufgezeichnet, darunter das Ereignis vom Oktober 2020.
Während Glitches routinemäßig durch Veränderungen im Inneren des Sterns erklärt werden können, können Anti-Glitches dies wahrscheinlich nicht. Barings Theorie basiert auf der Annahme, dass sie durch Veränderungen auf der Oberfläche des Sterns und im Raum um ihn herum verursacht werden. In dem neuen Artikel konstruierten er und seine Co-Autoren ein vulkangetriebenes Windmodell, um die gemessenen Ergebnisse des Anti-Glitch vom Oktober 2020 zu erklären.
Baring sagte, das Modell verwende nur Standardphysik, insbesondere Änderungen des Drehimpulses und der Energieerhaltung, um die Rotationsverlangsamung zu berücksichtigen.
„Ein starker, massiver Teilchenwind, der einige Stunden lang vom Stern ausgeht, könnte die Bedingungen für den Rückgang der Rotationsperiode schaffen“, sagte er. „Unsere Berechnungen zeigten, dass ein solcher Wind auch die Kraft hätte, die Geometrie des Magnetfelds außerhalb des Neutronensterns zu verändern.“
Der Bruch könnte eine vulkanähnliche Formation sein, denn „die allgemeinen Eigenschaften der Röntgenpulsation erfordern wahrscheinlich, dass der Wind von einer lokalisierten Region auf der Oberfläche ausgeht“, sagte er.
„Was die Veranstaltung im Oktober 2020 einzigartig macht, ist, dass es nur wenige Tage nach dem Anti-Glitch einen schnellen Funkstoß vom Magnetar gab, sowie kurz danach ein Einschalten der gepulsten, kurzlebigen Funkemission“, sagte er. „Wir haben nur eine Handvoll transient gepulster Funkmagnetare gesehen, und dies ist das erste Mal, dass wir das Einschalten eines Magnetars fast gleichzeitig mit einem Anti-Glitch sehen.“
Baring argumentierte, dass diese zeitliche Übereinstimmung darauf hindeutet, dass die Anti-Glitch- und Funkemissionen durch dasselbe Ereignis verursacht wurden, und er hofft, dass zusätzliche Studien des Vulkanismusmodells weitere Antworten liefern werden.
„Die Windinterpretation bietet einen Weg zum Verständnis, warum sich die Radioemission einschaltet“, sagte er. „Es bietet neue Einblicke, die wir vorher nicht hatten.“
Mehr Informationen:
G. Younes et al, Magnetar-Spin-Down-Glitch, der den Weg für FRB-ähnliche Bursts und eine gepulste Radioepisode frei macht, Naturastronomie (2023). DOI: 10.1038/s41550-022-01865-y