Manchmal stoßen Astronomen am Himmel auf Objekte, die wir nicht einfach erklären können. In unserer neuen Studie, veröffentlicht in Wissenschaft, wir berichten über eine solche Entdeckungwas wahrscheinlich Diskussionen und Spekulationen auslösen wird.
Neutronensterne gehören zu den dichtesten Objekten im Universum. So kompakt wie ein Atomkern und doch so groß wie eine Stadt, stoßen sie an die Grenzen unseres Verständnisses extremer Materie. Je schwerer ein Neutronenstern ist, desto wahrscheinlicher ist es, dass er schließlich kollabiert und zu etwas noch Dichterem wird: einem Schwarzen Loch.
Diese astrophysikalischen Objekte sind so dicht und ihre Anziehungskraft so stark, dass ihre Kerne – was auch immer sie sein mögen – dauerhaft durch Ereignishorizonte vom Universum abgeschirmt sind: Oberflächen vollkommener Dunkelheit, denen kein Licht entkommen kann.
Wenn wir jemals die Physik am Wendepunkt zwischen Neutronensternen und Schwarzen Löchern verstehen wollen, müssen wir Objekte an dieser Grenze finden. Insbesondere müssen wir Objekte finden, für die wir über lange Zeiträume präzise Messungen durchführen können. Und genau das haben wir gefunden – ein Objekt, das offensichtlich weder ein Neutronenstern noch ein Schwarzes Loch ist.
Es war, als man tief in den Sternhaufen blickte NGC 1851 dass wir scheinbar ein Sternenpaar entdeckt haben, das einen neuen Blick auf die Extreme der Materie im Universum bietet. Das System besteht aus a Millisekunden-Pulsareine Art schnell rotierender Neutronenstern, der bei seiner Drehung Radiolichtstrahlen durch den Kosmos fegt, und ein massives, verborgenes Objekt unbekannter Natur.
Das massive Objekt ist dunkel, was bedeutet, dass es bei allen Lichtfrequenzen unsichtbar ist – vom Radio- bis zum optischen, Röntgen- und Gammastrahlenband. Unter anderen Umständen würde dies eine Untersuchung unmöglich machen, aber hier kommt uns der Millisekundenpulsar zu Hilfe.
Millisekundenpulsare ähneln kosmischen Atomuhren. Ihre Spins sind unglaublich stabil und können durch die Erkennung des regelmäßigen Radioimpulses, den sie erzeugen, präzise gemessen werden. Obwohl er intrinsisch stabil ist, ändert sich der beobachtete Spin, wenn der Pulsar in Bewegung ist oder wenn sein Signal durch ein starkes Gravitationsfeld beeinflusst wird. Durch die Beobachtung dieser Veränderungen können wir die Eigenschaften von Körpern in Umlaufbahnen mit Pulsaren messen.
Unser internationales Team von Astronomen nutzt das MeerKAT-Radioteleskop in Südafrika, um solche Beobachtungen des als NGC 1851E bezeichneten Systems durchzuführen.
Dadurch konnten wir die Umlaufbahnen der beiden Objekte genau beschreiben und zeigen, dass sich ihr Punkt der größten Annäherung mit der Zeit ändert. Solche Veränderungen werden durch Einsteins Relativitätstheorie beschrieben und die Geschwindigkeit einer Veränderung sagt uns etwas über die Gesamtmasse der Körper im System.
Unsere Beobachtungen ergaben, dass das NGC 1851E-System fast viermal so viel wiegt wie unsere Sonne und dass der dunkle Begleiter wie der Pulsar ein kompaktes Objekt war – viel dichter als ein normaler Stern. Die massereichsten Neutronensterne wiegen etwa zwei Sonnenmassen. Wenn es sich also um ein Doppel-Neutronensternsystem handelte (Systeme, die gut bekannt und untersucht sind), müsste es zwei der schwersten Neutronensterne enthalten, die jemals gefunden wurden.
Um die Natur des Begleiters aufzudecken, müssten wir verstehen, wie die Masse im System zwischen den Sternen verteilt war. Mithilfe von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie konnten wir das System im Detail modellieren und dabei feststellen, dass die Masse des Begleiters zwischen dem 2,09- und 2,71-fachen der Sonnenmasse liegt.
Die Masse des Begleiters fällt in die „Massenlücke des Schwarzen Lochs“ Das liegt zwischen den schwersten möglichen Neutronensternen, von denen angenommen wird, dass sie etwa 2,2 Sonnenmassen haben, und den leichtesten Schwarzen Löchern, die durch Sternkollaps entstehen können, etwa 5 Sonnenmassen. Die Beschaffenheit und Entstehung von Objekten in dieser Lücke ist eine herausragende Frage der Astrophysik.
Mögliche Kandidaten
Was genau haben wir dann gefunden?
Eine verlockende Möglichkeit besteht darin, dass wir einen Pulsar entdeckt haben, der die Überreste einer Verschmelzung (Kollision) zweier Neutronensterne umkreist. Eine solch ungewöhnliche Konfiguration wird durch die dichte Packung der Sterne in NGC 1851 ermöglicht.
Auf dieser überfüllten, herausragenden Tanzfläche drehen sich Stars umeinander und tauschen in einem endlosen Walzer ihre Partner. Wenn zwei Neutronensterne zu nahe aneinander geschleudert werden, endet ihr Tanz katastrophal.
Das durch ihre Kollision entstandene Schwarze Loch, das viel leichter sein kann als solche, die aus kollabierenden Sternen entstehen, kann dann frei durch den Sternhaufen wandern, bis es ein weiteres Tänzerpaar im Walzer findet und sich ziemlich unsanft einfügt – wodurch der leichtere Partner rausgeschmissen wird dabei. Es ist dieser Mechanismus von Kollisionen und Austausch, der das System entstehen könnte, das wir heute beobachten.
Simulation der Dreikörperwechselwirkung, die vermutlich das NGC 1851E-System hervorgebracht hat.
Wir sind mit diesem System noch nicht fertig. Es wird bereits daran gearbeitet, die wahre Natur des Begleiters endgültig zu identifizieren und zu enthüllen, ob wir das leichteste Schwarze Loch oder den massereichsten Neutronenstern entdeckt haben – oder vielleicht auch keines von beiden.
An der Grenze zwischen Neutronensternen und Schwarzen Löchern besteht immer die Möglichkeit, dass ein neues, noch unbekanntes astrophysikalisches Objekt existiert.
Dieser Entdeckung werden sicherlich noch viele Spekulationen folgen, aber es ist bereits klar, dass dieses System enorm vielversprechend ist, wenn es darum geht, zu verstehen, was in den extremsten Umgebungen des Universums wirklich mit Materie passiert.
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