Eine kosmische „Blitzerkamera“ hat gerade erstmals die atemberaubende Geschwindigkeit von Neutronensternjets enthüllt

Wie schnell kann ein Neutronenstern mächtige Jets in den Weltraum treiben? Wie sich herausstellte, liegt die Antwort bei etwa einem Drittel der Lichtgeschwindigkeit, wie unser Team gerade in einer Studie herausgefunden hat neue Studie veröffentlicht in Natur.

Energetische kosmische Strahlen, bekannt als Jets sind überall in unserem Universum zu sehen. Sie werden abgefeuert, wenn Material – hauptsächlich Staub und Gas – auf ein dichtes zentrales Objekt fällt, etwa einen Neutronenstern (ein extrem dichter Überrest eines einst massereichen Sterns) oder einen schwarzes Loch.

Die Jets tragen einen Teil der vom einfallenden Gas freigesetzten Gravitationsenergie ab und führen sie in weitaus größeren Maßstäben wieder in die Umgebung zurück.

Die stärksten Jets im Universum kommen von den größten Schwarzen Löchern in den Zentren von Galaxien. Der Energieausstoß dieser Jets kann die Entwicklung einer ganzen Galaxie oder sogar eines Galaxienhaufens beeinflussen. Dies macht Jets zu einem wichtigen und dennoch faszinierenden Bestandteil unseres Universums.

Obwohl Jets weit verbreitet sind, verstehen wir immer noch nicht vollständig, wie sie gestartet werden. Die Messung der Jets eines Neutronensterns hat uns nun wertvolle Informationen geliefert.

Jets aus Sternenleichen

Jets aus Schwarzen Löchern sind in der Regel hell und wurden gut untersucht. Allerdings sind die Jets von Neutronensternen typischerweise viel schwächer und über sie ist viel weniger bekannt.

Dies stellt ein Problem dar, da wir durch den Vergleich der von verschiedenen Himmelsobjekten abgefeuerten Jets viel lernen können. Neutronensterne sind extrem dichte Sternleichen – kosmische Asche von der Größe einer Stadt, die aber die Masse eines Sterns enthält. Wir können sie uns als riesige Atomkerne mit einem Durchmesser von jeweils etwa 20 Kilometern vorstellen.

Im Gegensatz zu Schwarzen Löchern haben Neutronensterne sowohl eine feste Oberfläche als auch ein Magnetfeld, und auf sie fallendes Gas setzt weniger Gravitationsenergie frei. Alle diese Eigenschaften wirken sich darauf aus, wie ihre Jets abgefeuert werden, was Studien an Neutronensternjets besonders wertvoll macht.

Ein wichtiger Hinweis darauf, wie Jets gestartet werden, ist ihre Geschwindigkeit. Wenn wir bestimmen können, wie sich die Geschwindigkeit der Jets mit der Masse oder dem Spin des Neutronensterns ändert, wäre das ein aussagekräftiger Test für theoretische Vorhersagen. Es ist jedoch äußerst schwierig, die Strahlgeschwindigkeiten für einen solchen Test genau genug zu messen.

Eine kosmische Radarkamera

Wenn wir Geschwindigkeiten auf der Erde messen, messen wir die Zeit eines Objekts zwischen zwei Punkten. Dabei kann es sich um einen 100-Meter-Sprinter handeln, der die Strecke entlangläuft, oder um einen Punkt-zu-Punkt-Blitzer, der ein Auto verfolgt.

Unser Team unter der Leitung von Thomas Russell vom Italienisches Nationalinstitut für Astrophysik in Palermo führte dazu ein neues Experiment für Neutronensternjets durch.

Was diese Messung in der Vergangenheit so schwierig gemacht hat, ist, dass es sich bei Jets um stetige Strömungen handelt. Das bedeutet, dass es keinen einzigen Startpunkt für unseren Timer gibt. Aber wir konnten ein kurzlebiges Signal im Röntgenwellenlängenbereich identifizieren, das wir als „Startschuss“ nutzen konnten.

Da Neutronensterne so dicht sind, können sie einem nahegelegenen Begleitstern Materie „stehlen“. Während ein Teil dieses Gases als Jets nach außen geschleudert wird, fällt der größte Teil letztendlich auf den Neutronenstern. Je mehr sich das Material anhäuft, desto heißer und dichter wird es.

Wenn sich genügend Material angesammelt hat, löst es eine thermonukleare Explosion aus. Es kommt zu einer außer Kontrolle geratenen Kernfusionsreaktion, die sich schnell ausbreitet und den gesamten Stern verschlingt. Die Fusion dauert einige Sekunden bis Minuten und führt zu einer kurzlebigen Reaktion Röntgenstrahl.

Der Lösung eines Rätsels einen Schritt näher gekommen

Wir dachten, diese thermonukleare Explosion würde die Jets des Neutronensterns zerstören. Also haben wir CSIROs verwendet Australia Telescope Compact Array drei Tage lang bei Radiowellenlängen auf die Jets zu starren, um zu versuchen, die Störung zu erkennen. Gleichzeitig nutzten wir die der Europäischen Weltraumorganisation Integral Teleskop, um die Röntgenstrahlen des Systems zu betrachten.

Zu unserer Überraschung stellten wir fest, dass die Jets mit jedem Röntgenimpuls heller wurden. Anstatt die Jets zu stören, schienen die thermonuklearen Explosionen sie anzutreiben. Und dieses Muster wiederholte sich zehnmal in einem Neutronensternsystem und dann noch einmal in einem zweiten System.

Wir können dieses überraschende Ergebnis erklären, wenn der Röntgenpuls dazu führt, dass Gas, das um den Neutronenstern herumwirbelt, schneller nach innen fällt. Dies wiederum stellt mehr Energie und Material zur Verfügung, die in die Strahlen umgeleitet werden können.

Am wichtigsten ist jedoch, dass wir den Röntgenausbruch nutzen können, um den Startzeitpunkt der Jets anzuzeigen. Wir haben gemessen, wie lange es dauerte, bis sie sich nach außen bewegten, wo sie bei zwei verschiedenen Radiowellenlängen sichtbar wurden. Diese Start- und Zielpunkte versorgten uns mit unserer kosmischen Radarkamera.

Interessanterweise lag die von uns gemessene Strahlgeschwindigkeit nahe an der „Fluchtgeschwindigkeit“ eines Neutronensterns. Auf der Erde beträgt diese Fluchtgeschwindigkeit 11,2 Kilometer pro Sekunde– was Raketen leisten müssen, um der Schwerkraft der Erde zu entkommen. Bei einem Neutronenstern beträgt dieser Wert etwa die Hälfte der Lichtgeschwindigkeit.

Unsere Arbeit hat eine neue Technik zur Messung der Jetgeschwindigkeiten von Neutronensternen eingeführt. Unsere nächsten Schritte werden darin bestehen, zu sehen, wie sich die Jetgeschwindigkeit für Neutronensterne mit unterschiedlichen Massen und Rotationsraten ändert. Das wird es uns ermöglichen, theoretische Modelle direkt zu testen, was uns einen Schritt näher an die Frage bringt, wie solch leistungsstarke kosmische Jets gestartet werden.

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