Wenn Sterne ihren Treibstoffvorrat aufbrauchen, kollabieren sie unter ihrem eigenen Gewicht und explodieren, wobei ihre äußeren Schichten in einem als „Supernova“ bekannten Ereignis weggeblasen werden. In einigen Fällen hinterlassen diese Ereignisse Neutronensterne, die kleinsten und dichtesten stellaren Objekte (mit Ausnahme bestimmter theoretischer Sterne), die sich manchmal schnell drehen. Pulsare, eine Klasse von Neutronensternen, können sich bis zu mehrere hundert Mal pro Sekunde drehen.
Ein solches Objekt mit der Bezeichnung J0030+0451 (J0030), befindet sich etwa 1100 Lichtjahre von der Erde entfernt im Sternbild Fische . Kürzlich haben Wissenschaftler mit NASAs Neutronenstern Interior Composition Explorer (NICER) konnten die Größe und Masse des Pulsars messen. Dabei gelang es ihnen auch, die verschiedenen „Hot Spots“ auf seiner Oberfläche zu lokalisieren und so effektiv die erste Karte eines Neutronensterns zu erstellen.
Seit 2017 führt NICER Beobachtungen von der Internationalen Raumstation (ISS) aus durch, um zu lernen, was im Inneren eines Neutronensterns vor sich geht. Neben hochpräzisen Messungen von Neutronensternen und anderen superdichten Objekten werden die gesammelten Daten auch zur Erstellung eines Röntgenkarte des Kosmos und zum Testen von Pulsaren als mögliche Navigation Leuchtfeuer.
Wie Paul Hertz, der Direktor der Astrophysik-Abteilung der NASA, kürzlich in einer NASA . sagte Pressemitteilung :
„Von seinem Platz auf der Raumstation aus revolutioniert NICER unser Verständnis von Pulsaren. Pulsare wurden vor mehr als 50 Jahren als Leuchtfeuer von Sternen entdeckt, die zu dichten Kernen zusammengebrochen sind und sich anders verhalten als alles, was wir auf der Erde sehen. Mit NICER können wir die Natur dieser dichten Überreste auf eine Weise untersuchen, die bisher unmöglich schien.“
Seit Jahrzehnten untersuchen Wissenschaftler Pulsare in der Hoffnung, ihr Innenleben besser zu verstehen. Nach dem einfachsten Modell haben Pulsare unglaublich starke Magnetfelder in der Form eines Dipolmagneten. In Kombination mit der Rotation des Pulsars bewirkt dies, dass Partikel von seiner Oberfläche in enge Strahlen fokussiert werden, die von den Polen emittiert werden. Dadurch entsteht ein starker Stroboskopeffekt, der für den Betrachter einem Leuchtturm ähnelt.
Dieser Effekt führt zu Helligkeitsschwankungen des Pulsars (in der Röntgenwellenlänge), die Astronomen habe beobachtet in der Vergangenheit. Gleichzeitig haben Astronomen auch Hotspots auf der Oberfläche von Pulsaren beobachtet, die darauf zurückzuführen sind, dass ihre Magnetfelder Partikel von der Oberfläche reißen und um die Pole herum ansammeln. Während im Röntgen die gesamte Oberfläche hell leuchtet, leuchten diese Hot Spots heller.
Die neuen NICER-Studien von J0030 (ein Millisekundenpulsar, der sich 205 Mal pro Sekunde dreht) zeigten jedoch, dass Pulsare nicht so einfach sind. Anhand von NICER-Daten, die von Juli 2017 bis Dezember 2018 gewonnen wurden, kartierten zwei Gruppen von Wissenschaftlern die Hotspots auf J0030 und kamen zu ähnlichen Schlussfolgerungen über ihre Masse und Größe.
Ein Pulsar mit seinen magnetischen Feldlinien dargestellt. Die von den Polen emittierten Strahlen sind das, was unsere Detektoren überspült, wenn sich der tote Stern dreht. Bildnachweis: NASA/Fermi/Cruz de Wilde
Das erste Team wurde von Thomas Riley und seiner Betreuerin Anna Watts geleitet, einem Doktoranden in Computational Astrophysics und Professor für Astrophysik (jeweils) an der Universität Amsterdam. Um die von ihnen beobachteten Röntgensignale nachzubilden, führten Riley und seine Kollegen Simulationen von überlappenden Kreisen unterschiedlicher Größe und Temperatur mit dem niederländischen Supercomputer durch Cartesius .
Neben der Feststellung, dass J0030 etwa 1,3 Sonnenmassen hat und 25,4 km (15,8 Meilen) breit ist, identifizierten sie zwei Hotspots – einen kleinen und kreisförmigen, den anderen lang und halbmondförmig. Das zweite Team unter der Leitung des Astronomieprofessors Cole Miller von der University of Maryland führte ähnliche Simulationen mit UMDs durch Deepthought2 Supercomputer.
Sie fanden heraus, dass J0030 1,4 Sonnenmassen hat, 26 km breit ist und zwei Lösungen für Hotspots entwickelt haben. Im ersten identifizierten sie zwei mögliche Hotspots, von denen einer zwei Ovale hat, die den Ergebnissen von Rileys Team sehr nahe kommen. Im zweiten fanden sie einen möglichen dritten Hotspot rund um den südlichen Rotationspol des Pulsars.
Wie Riley erklärte, enthüllten diese Ergebnisse viel über J0030 und andere Pulsare:
„Als wir mit der Arbeit an J0030 begannen, war unser Verständnis der Simulation von Pulsaren unvollständig und ist es immer noch. Aber dank der detaillierten Daten von NICER, Open-Source-Tools, Hochleistungscomputern und großartiger Teamarbeit haben wir jetzt einen Rahmen, um realistischere Modelle dieser Objekte zu entwickeln.“
Ganzer Himmelsbild mit 22-Monats-Röntgendaten, die vom Neutronenstern Interior Composition Explorer (NICER) der NASA aufgenommen wurden. Credits: NASA/NICER
Wie von Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie vorhergesagt, ist ein Pulsar so dicht, dass seine Gravitation das gesamte Gewebe der Raumzeit um ihn herum verzerrt. Der Effekt ist so ausgeprägt, dass Licht, das von der dem Betrachter abgewandten Seite kommt, gebeugt und auf ihn umgelenkt wird. Dadurch sieht der Stern größer aus, als er wirklich ist und bedeutet, dass Hotspots nicht ganz verschwinden, wenn sie sich vom Beobachter wegdrehen.
Dank der Genauigkeit von NICER, die etwa 20-mal höher ist als die bisheriger Instrumente, können Astronomen die Ankunft jedes Röntgenstrahls von einem Pulsar mit einer Genauigkeit von mehr als hundert Nanosekunden messen. Von der Erde aus hatten die beiden Teams eine klare Sicht auf die nördliche Hemisphäre von J0030 und erwarteten, dort einen Hotspot zu finden. Stattdessen identifizierten sie bis zu drei, die sich alle auf der Südhalbkugel befanden.
Als Miller erklärt , diese Beobachtungen wären ohne die Präzision von NICER nicht möglich gewesen:
„Die beispiellosen Röntgenmessungen von NICER haben es uns ermöglicht, die bisher genauesten und zuverlässigsten Berechnungen der Größe eines Pulsars mit einer Unsicherheit von weniger als 10 % durchzuführen. Das gesamte NICER-Team hat einen wichtigen Beitrag zur Grundlagenphysik geleistet, der in terrestrischen Labors nicht erforscht werden kann.“
Dies ist der erste Fall, in dem Astronomen die Oberfläche eines Pulsars kartieren, und die Ergebnisse zeigen, dass ihre Magnetfelder komplizierter sind, als das traditionelle Dipolmodell vermuten lässt. Während Wissenschaftler noch nicht herausfinden müssen, warum die Flecken von J0030 so angeordnet und geformt sind, wie sie sind, deuten diese Ergebnisse darauf hin, dass diese Antworten in Reichweite liegen könnten.
Die NICER-Nutzlast, hier außen an der Internationalen Raumstation.Bildnachweis: NASA
Noch beeindruckender ist die Tatsache, dass zwei Teams unabhängig voneinander zu ähnlichen Ergebnissen kamen. Als Zaven Arzoumanian, der NICER-Wissenschaftsleiter am Goddard Space Flight Center der NASA, ausgedrückt :
„Es ist bemerkenswert und auch sehr beruhigend, dass die beiden Teams mit unterschiedlichen Modellierungsansätzen so ähnliche Größen, Massen und Hot-Spot-Muster für J0030 erreicht haben. Es sagt uns, dass NICER auf dem richtigen Weg ist, um uns bei der Beantwortung einer bleibenden Frage der Astrophysik zu helfen: Welche Form nimmt die Materie in den ultradichten Kernen von Neutronensternen an?“
Im Rahmen des Astrophysik Mission of Opportunity Als Teil des Explorers-Programms der NASA besteht das wissenschaftliche Hauptziel von NICER darin, die Größe und Masse mehrerer Pulsare genau zu messen. Diese Informationen werden wertvolle Hinweise darauf geben, was in ihrem Inneren vor sich geht, wo Materie auf Dichten komprimiert wird, die in Laboratorien hier auf der Erde nicht simuliert werden können.
Diese Informationen werden auch dazu beitragen, das Verständnis der Astronomen über Schwarze Löcher und andere superdichte Objekte zu verbessern. Die Analyse der NICER-Beobachtungen von J0030 hat bereits zu einem Reihe von Papieren die in einer Schwerpunktausgabe vonDie Briefe des Astrophysikalischen Journals.
Sehen Sie sich dieses Video an, das auch die Ergebnisse der Forscher mit freundlicher Genehmigung von NASA Goddard erklärt:
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