Ein kosmisches „Radar“ hat gerade die erstaunliche Geschwindigkeit der Jets von Neutronensternen enthüllt: eine Weltneuheit

Wie schnell kann ein Neutronenstern mächtige Jets in den Weltraum schießen? Es stellt sich heraus, dass die Antwort bei etwa einem Drittel der Lichtgeschwindigkeit liegt, wie unser Team gerade in einer neuen Studie herausgefunden hat, die in veröffentlicht wurde Natur.

Energetische kosmische Strahlen, sogenannte Jets, sind in unserem gesamten Universum sichtbar. Sie werden abgefeuert, wenn Materie, hauptsächlich Staub und Gas, auf ein dichtes zentrales Objekt fällt, etwa einen Neutronenstern (ein extrem dichter Überrest eines einst massereichen Sterns) oder ein Schwarzes Loch.

Die Düsen tragen einen Teil der vom einströmenden Gas freigesetzten Gravitationsenergie ab und führen sie in viel größeren Maßstäben wieder in die Umwelt zurück.

Die stärksten Jets im Universum kommen von den größten Schwarzen Löchern, die sich in den Zentren von Galaxien befinden. Die Energieproduktion dieser Jets kann die Entwicklung einer ganzen Galaxie oder sogar eines Galaxienhaufens beeinflussen. Dies macht Jets zu einem wesentlichen, aber dennoch faszinierenden Teil unseres Universums.

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

Stellare Leichenwürfe

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

Dies ist problematisch, 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 vorstellen, von denen jeder einen Durchmesser von etwa 20 Kilometern hat.

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 als Funktion der Masse oder Rotation des Neutronensterns ändert, wäre dies ein aussagekräftiger Test für die theoretischen Vorhersagen. Es ist jedoch äußerst schwierig, die Strahlgeschwindigkeiten für einen solchen Test genau genug zu messen.

Ein kosmisches Radar

Wenn wir Geschwindigkeiten auf der Erde messen, messen wir die Zeit eines Objekts zwischen zwei Punkten. Das kann ein 100-Meter-Sprinter sein, der auf der Rennstrecke läuft, oder ein Punkt-zu-Punkt-Radar, der einem Auto folgt.

Unser Team unter der Leitung von Thomas Russell vom italienischen Nationalinstitut für Astrophysik in Palermo führte ein neues Experiment in dieser Richtung für Jets von Neutronensternen durch.

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

Da Neutronensterne so dicht sind, können sie einem nahegelegenen Begleitstern Material „stehlen“. Obwohl ein Teil dieses Gases als Jets nach außen geschleudert wird, fällt der größte Teil auf den Neutronenstern. Wenn sich Material ansammelt, wird es heißer und dichter.

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 Verschmelzung dauert einige Sekunden bis einige Minuten und verursacht einen kurzen Röntgenausbruch.

Der Lösung eines Rätsels einen Schritt näher gekommen

Es wurde angenommen, dass diese thermonukleare Explosion die Jets des Neutronensterns zerstören würde. Deshalb haben wir mit dem Australia Telescope Compact Array des CSIRO die Jets drei Tage lang im Radiowellenlängenbereich beobachtet und versucht, die Störung zu erkennen. Gleichzeitig nutzten wir das Integral-Teleskop der Europäischen Weltraumorganisation, um die Röntgenstrahlen des Systems zu beobachten.

Zu unserer Überraschung stellten wir fest, dass die Jets nach jedem Röntgenpuls 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 das um den Neutronenstern herumwirbelnde Gas schneller nach innen fällt. Dies wiederum stellt mehr Energie und Material zur Verfügung, die zu den Düsen umgeleitet werden können.

Aber am wichtigsten ist, 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, bis sie bei zwei verschiedenen Radiowellenlängen sichtbar wurden. Diese Start- und Endpunkte lieferten uns unser kosmisches Radar.

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

Unsere Arbeit führte eine neue Technik zur Messung der Geschwindigkeiten von Neutronensternjets ein. Unsere nächsten Schritte werden darin bestehen, zu sehen, wie sich die Jetgeschwindigkeit für Neutronensterne mit unterschiedlichen Massen und Rotationsgeschwindigkeiten ändert. Dadurch können wir theoretische Modelle direkt testen und so besser verstehen, wie solch leistungsstarke kosmische Jets gestartet werden.

Dieser Artikel wurde von The Conversation unter einer Creative Commons-Lizenz erneut veröffentlicht. Lesen Sie den Originalartikel.