Das Durchsuchen des Universums nach seltsamen neuen Sternensystemen kann zu einigen ziemlich interessanten Funden führen. Und manchmal kann es zu Phänomenen kommen, die allem widersprechen, was wir über die Entstehung und Entwicklung von Sternen zu wissen glauben. Solche Funde sind nicht nur faszinierend und aufregend, sie ermöglichen uns auch, unsere Modelle zur Entstehung des Universums zu erweitern und zu verfeinern.
Zum Beispiel, eine aktuelle studie durchgeführt von einem internationalen Team von Wissenschaftlern hat gezeigt, wie die jüngste Entdeckung des Doppelsternsystems – eines Millisekundenpulsars und eines Weißen Zwergs mit geringer Masse (LMWD) – konventionelle Vorstellungen von der Sternentwicklung widersetzt hat. Während in der Vergangenheit davon ausgegangen wurde, dass solche Systeme kreisförmige Umlaufbahnen haben, umkreist der Weiße Zwerg in diesem speziellen Doppelsternsystem den Pulsar mit extremer Exzentrizität!
Um es aufzuschlüsseln, besagt die konventionelle Weisheit, dass LMWDs das Produkt binärer Evolution sind. Der Grund dafür ist, dass ein solcher Stern – mit geringer Masse, aber unglaublicher Dichte – unter normalen Umständen erst entstehen würde, wenn er seinen gesamten Kernbrennstoff erschöpft hat und seine äußeren Schichten als planetarischer Nebel verloren hat. Bei der Masse dieses Sterns würde dies allein etwa 100 Milliarden Jahre dauern – also länger als das Alter des Universums.
Künstlerische Darstellung eines akkretierenden Röntgen-Millisekundenpulsars. Das fließende Material des Begleitsterns bildet eine Scheibe um den Neutronenstern, die am Rand der Pulsar-Magnetosphäre abgeschnitten ist. Bildnachweis: NASA/Goddard/Dana Berry
Daher wird allgemein angenommen, dass sie das Ergebnis der Paarung mit anderen Sternen sind – insbesondere Millisekunden-Radiopulsaren (MSPs). Dabei handelt es sich um eine eigene Population von Neutronensternen mit schnellen Spinperioden und Magnetfeldern, die um mehrere Größenordnungen schwächer sind als die von „normalen“ Pulsaren. Es wird angenommen, dass diese Eigenschaften das Ergebnis eines Massentransfers mit einem Begleitstern sind.
Grundsätzlich werden MSPs, die von einem Stern umkreist werden, ihnen langsam ihre Masse entziehen, ihre äußeren Schichten absaugen und sie in einen weißen Zwerg verwandeln. Das Hinzufügen dieser Masse zum Pulsar bewirkt, dass er sich schneller dreht und sein Magnetfeld begräbt und auch den Begleitstern zu einem Weißen Zwerg macht. In diesem Szenario wird erwartet, dass die Exzentrizität der Umlaufbahn des LMWD um den Pulsar vernachlässigbar ist.
Beim Blick auf das Doppelsternsystem PSR J2234+0511 fiel dem internationalen Team jedoch etwas ganz anderes auf. Hier fanden sie einen massearmen Weißen Zwerg gepaart mit einem Millisekundenpulsar, den der Weiße Zwerg mit einer Periode von 32 Tagen und einer extremen Exzentrizität (0,13) umkreiste. Da sich dies aktuellen Modellen von Weißen Zwergen widersetzt, suchte das Team nach Erklärungen.
Als Dr. John Antoniadis – ein Forscher der Dunlap Institute an der University of Toronto und der Hauptautor der Studie – sagte Universe Today per E-Mail:
„Millisekundenpulsar-LMWD-Binärdateien sind sehr verbreitet. Nach dem etablierten Entstehungsszenario entstehen diese Systeme aus massearmen Röntgendoppelsternen, in denen ein Neutronenstern Materie eines Riesensterns akkretiert. Schließlich entwickelt sich dieser Stern zu einem Weißen Zwerg und der Neutronenstern wird zu einem Millisekundenpulsar. Wegen der starken Gezeitenkräfte während der Massentransferepisode sind die Umlaufbahnen dieser Systeme extrem kreisförmig mit Exzentrizitäten von ungefähr 0,000001 oder so.“
Künstlerische Darstellung eines Millisekundenpulsars und seines Begleiters. Der Pulsar (blau) akkretiert Material von seinem aufgeblähten roten Begleitstern und erhöht seine Rotationsgeschwindigkeit. Quelle: ESA/Francesco Ferraro (Astronomisches Observatorium Bologna)
Für ihre Studie, die kürzlich inDas Astrophysikalische Journal– mit dem Titel „ Ein exzentrischer binärer Millisekundenpulsar mit einem Helium White Dwarf Companion im galaktischen Feld ” – das Team verließ sich auf die neu gewonnene optische Photometrie des Systems, die von der Sloan Digital Sky Survey (SDSS) und Spektroskopie vom Very Large Telescope vom Paranal-Observatorium in Chile.
Darüber hinaus konsultierten sie neuere Studien, die andere Doppelsternsysteme untersuchten, die dieselbe Art exzentrischer Beziehung zeigen. „Wir kennen jetzt [von] 5 Systemen, die von diesem Bild abweichen, da sie Exzentrizitäten von ~0,1 aufweisen, d. h. mehrere Größenordnungen größer als im Standardszenario erwartet“, sagte Antoniadis. 'Interessanterweise scheinen sie alle ähnliche Exzentrizitäten und Umlaufzeiten zu haben.'
Daraus konnten sie die Temperatur (8600 ± 190 K) und die Geschwindigkeit (km/s) des Weißen Zwergs als Begleiter im Doppelsternsystem ableiten. Kombiniert mit Einschränkungen, die den Massen der beiden Körper – 0,28 Sonnenmassen für den Weißen Zwerg und 1,4 für den Pulsar – sowie ihren Radien und der Oberflächengravitation auferlegt wurden, testeten sie dann drei mögliche Erklärungen für die Entstehung dieses Systems.
Dazu gehörte die Möglichkeit, dass Neutronensterne (wie der hier beobachtete Millsekunden-Pulsar) durch einen durch Akkretion verursachten Kollaps eines massiven Weißen Zwergs entstehen. Ebenso überlegten sie, ob Neutronensterne bei der Akkretion von Material eine Transformation durchlaufen, die dazu führt, dass sie zu Quarksternen werden. Während dieses Prozesses wäre die Freisetzung von Gravitationsenergie für die Induktion der beobachteten Exzentrizität verantwortlich.
Künstlerische Illustration eines rotierenden Neutronensterns, der Überreste einer Supernova-Explosion. Bildnachweis: NASA, Caltech-JPL
Zweitens erwogen sie – im Einklang mit aktuellen Modellen der Sternentwicklung – die Möglichkeit, dass LMWDs innerhalb eines bestimmten Massenbereichs starke Sternwinde haben, wenn sie sehr jung sind (aufgrund instabiler Wasserstofffusion). Das Team untersuchte daher, ob diese starken Sternwinde die Umlaufbahn des Pulsars früher in der Geschichte des Systems gestört haben könnten oder nicht.
Schließlich erwogen sie die Möglichkeit, dass ein Teil des Materials, das in der Vergangenheit vom Weißen Zwerg freigesetzt wurde (aufgrund desselben Sternenwinds), eine kurzlebige zirkumbinäre Scheibe gebildet haben könnte. Diese Scheibe würde dann wie ein dritter Körper wirken, das System stören und die Exzentrizität der Umlaufbahn des Weißen Zwergs erhöhen. Am Ende hielten sie die ersten beiden Szenarien für unwahrscheinlich, da die für den Pulsar-Vorläufer abgeleitete Masse nicht mit beiden Modellen übereinstimmte.
Das dritte Szenario, in dem die Wechselwirkung mit einer zirkumbinären Scheibe für die Exzentrizität verantwortlich war, stimmte jedoch mit ihren abgeleiteten Parametern überein. Darüber hinaus sagt das dritte Szenario voraus, dass es (innerhalb eines bestimmten Massenbereichs) keine kreisförmigen Doppelsterne mit ähnlichen Umlaufzeiten geben sollte – was mit allen bekannten Beispielen solcher Systeme übereinstimmt. Wie Dr. Antoniadis erklärte:
„Diese Beobachtungen zeigen, dass der Begleitstern in diesem System tatsächlich ein massearmer Weißer Zwerg ist. Außerdem scheint die Masse des Pulsars für #2 zu gering und für #1 etwas zu hoch zu sein. Wir untersuchen auch die Umlaufbahn des Doppelsterns in der Milchstraße, und er sieht sehr ähnlich aus wie bei Röntgendoppelsternen mit geringer Masse. Diese Beweise begünstigen zusammen die Scheibenhypothese.“
Querschnitt eines Neutronensterns. Quelle: Wikipedia Commons/Robert Schulz
Natürlich geben Dr. Antoniadis und seine Kollegen zu, dass mehr Informationen benötigt werden, bevor ihre Hypothese als richtig erachtet werden kann. Sollten ihre Ergebnisse jedoch durch zukünftige Forschungen bestätigt werden, erwarten sie, dass dies ein wertvolles Werkzeug für zukünftige Astronomen und Astrophysiker sein wird, die die Interaktion zwischen Doppelsternsystemen und zirkumbinären Scheiben untersuchen möchten.
Darüber hinaus wird es die Entdeckung dieses Doppelsystems mit hoher Exzentrizität in den kommenden Jahren einfacher machen, die Massen von Weißen Zwergen mit geringer Masse mit extremer Präzision zu messen. Dies wiederum soll Astronomen helfen, die Eigenschaften dieser Sterne besser zu verstehen und was zu ihrer Entstehung führt.
Wie die Geschichte uns gelehrt hat, erfordert das Verständnis des Universums ein ernsthaftes Engagement für den Prozess der kontinuierlichen Entdeckung. Und je mehr wir entdecken, desto seltsamer scheint es zu werden, was uns zwingt, zu überdenken, was wir darüber zu wissen glauben.
Weiterlesen: Das Astrophysikalische Journal
