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Astronomen haben in der Milchstraße einen stark magnetischen toten Stern oder „Magnetar“ entdeckt, der kurzzeitig als Pulsar fungierte, eine Art schnell rotierender Neutronenstern. Der Magnetar legte seine Pulsar-Tarnung an, nachdem er einen starken Strahlungsstoß aussendete, der ursprünglich im Jahr 2020 entdeckt wurde.
Diese Emission ist ein Beispiel für einen Fast Radio Burst (FRB), einen mysteriösen Energieausbruch, dessen Quellen und Ursprung noch nicht vollständig verstanden sind. Während die meisten FRBs aus Quellen außerhalb der Milchstraße stammen, stammt dieser mit der Bezeichnung FRB 20200428 aus unserer Galaxie und ist damit der erste „galaktische FRB“, der jemals beobachtet wurde. FRB 20200428 wurde mit dem hochmagnetischen Neutronenstern oder „Magnetar“ SGR J1935+2154 in Verbindung gebracht, der etwa 30.000 Lichtjahre entfernt liegt und das supermassive Schwarze Loch im Herzen der Milchstraße, Sagittarius A* (Sgr A*), umkreist.
Dies veranlasste viele Forscher zu der Hypothese, dass FRBs, die außerhalb der Milchstraße entdeckt wurden, auch von Magnetaren stammten. Das Problem bestand darin, dass ein endgültiger Beweis für diesen Zusammenhang fehlte. Durch weitere Überwachung von SGR J1935+2154, um diesen „rauchenden Beweis“ aufzuspüren, entdeckte ein internationales Forscherteam, dass sich der Magnetar wie ein schnell rotierender Neutronenstern oder „Pulsar“ verhielt, als er fünf Monate lang in eine kurze „Radiopulsarphase“ eintrat nach der Einführung von FRB 20200428.
Um diesen Magnetar der Milchstraße zu untersuchen, wandte sich das Team an das Five Hundred Meter Aperture Spherical Radio Telescope (FAST) in China, das als erstes FRB 20200428 entdeckte. Dieses riesige Radioteleskop hat eine lange Geschichte und ermöglicht es Forschern, nach FRBs zu suchen.
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Das Interessante an der Spätphase des Pulsars SGR J1935+2154 ist, dass FAST ihn anders erkannte als den FRB-Ausbruch des Magnetars. Dies deutete für das Team darauf hin, dass diesen beiden Phänomenen unterschiedliche zugrunde liegende Ursachen zugrunde liegen.
„FAST hat in 16,5 Stunden über 13 Tage hinweg 795 Impulse von der Quelle aus entdeckt“, sagte Teamleiter Weiwei Zhu vom National Astronomical Observatory of China (NAOC) in einer Erklärung. Diese Impulse weisen Beobachtungseigenschaften auf, die sich von denen der Quelle unterscheiden. [FRB] „Ausbrüche beobachtet von der Quelle. »
Dieser Unterschied in den „Emissionsmodi“ zwischen FRBs und Pulsen könnte Astronomen helfen, besser zu verstehen, was FRBs auslöst, sowohl in der Milchstraße als auch in großen kosmologischen Entfernungen. Es könnte auch mehr über Neutronensterne in ihren verschiedenen Formen verraten.
Der Magnetar hat den Radiostar getötet
Wie alle Neutronensterne entstehen Magnetare und Pulsare, wenn ein Stern, der mindestens achtmal massereicher als die Sonne ist, das Ende seiner Brennstoffreserven für die Kernfusion erreicht. Dadurch wird der nach außen gerichtete Energiefluss unterbrochen, der den Stern gegen den erdrückenden Druck seiner eigenen Schwerkraft stützt.
Ohne diesen nach außen gerichteten Strahlungsdruck kollabiert der Kern des Sterns. Dadurch werden Stoßwellen durch äußere Materie geschickt und eine gewaltige Supernova-Explosion ausgelöst. Als Folge dieser katastrophalen Explosion werden die äußeren Schichten des Sterns weit weggeschleudert und zurück bleibt ein schnell kollabierender Sternkern mit einer Masse, die ein- bis zweimal so groß ist wie die der Sonne. Das Ergebnis ist ein Neutronenstern, dessen Durchmesserreduzierung spektakulär ist.
Schätzungen zufolge haben alle Neutronensterne einen Durchmesser von etwa 20 Kilometern, was bedeutet, dass sie problemlos in einigen Großstädten der Erde zu finden sind. Die Auswirkungen einer solchen Situation wären allerdings alles andere als angenehm.
Neutronensterne enthalten bis zur doppelten Masse der Sonne in einer Kugel, die so breit ist wie die Länge der Insel Manhattan. Sie bestehen aus einer einzigartigen Form unglaublich dichter Materie, die reich an Neutronen ist – Teilchen, die normalerweise in Protonen im Atomkern eingeschlossen sind. Wenn eine Probe dieses Materials in der Größe eines Würfelzuckers einem Neutronenstern entnommen und zur Erde zurückgebracht würde, würde sie bis zu einer Milliarde Tonnen wiegen. Das ist mehr als das Doppelte des Gewichts der gesamten Menschheit und wird auf 390 Millionen Tonnen geschätzt.
Dies ist jedoch nicht das einzige extreme Merkmal eines Neutronensterns.
Aufgrund der Drehimpulserhaltung nimmt die Rotationsgeschwindigkeit eines neu geborenen Neutronensterns erheblich zu, wenn der Durchmesser schnell abnimmt.
Eislaufen ist ein sehr konkretes Beispiel. Wenn ein Skater seine Rotation beschleunigen möchte, verschränkt er die Arme. Um seine Rotation zu verlangsamen, spreizt er seine Arme.
Pulsare sind Neutronensterne, die sich so schnell drehen können, dass sie Hunderte von Umdrehungen pro Sekunde ausführen. Tatsächlich ist der schnellste jemals entdeckte Pulsar PSR J1748-2446ad, der sich 716 Mal pro Sekunde dreht. Ein Pulsar sendet auch Strahlungsstrahlen von seinen Polen aus. Das bedeutet, dass diese Art von Neutronenstern bei seiner Rotation Strahlungsstrahlen wie ein kosmisches Leuchtfeuer durch das Universum fegt.
Die Verringerung der Breite von Neutronensternen bringt auch die magnetischen Feldlinien näher an den Vorläuferstern heran. Je näher die magnetischen Feldlinien beieinander liegen, desto stärker werden sie. Das bedeutet, dass Neutronensterne die stärksten Magnetfelder im Universum haben, einige erreichen über eine Milliarde Tesla. Zum Vergleich: Die stärksten Magnetfelder, die hier auf der Erde erzeugt werden, betragen etwa 1.500 Tesla. Neutronensterne mit den stärksten Magnetfeldern werden Magnetare genannt.
Um es klarzustellen: Alle Magnetare sind Neutronensterne und alle Pulsare sind Neutronensterne, aber Magnetare unterscheiden sich von Pulsaren, weil sie allgemein Magnetare sind nicht ohne Radiowellenstrahlen ausgestattet, die ihnen den Anschein erwecken, als würden sie pulsieren. Allerdings sind Magnetare nicht frei von Emissionen: Sie werden seit langem als Quelle von FRBs genannt.
Wenn ein Magnetar einen Pulsar imitiert
Radioimpulse, wie sie das Team in der Spätphase des SGR J1935+2154-Pulsars entdeckt hat, ähneln FRBs, aber die letzteren Emissionen sind mehrere zehn Milliarden Mal heller. Sie kommen, wie oben erwähnt, auch in Pulsaren häufig vor, in Magnetaren jedoch nicht so häufig. Die meisten Magnetare senden keine Radiowellenimpulse aus, vielleicht weil ihre starken Magnetfelder sie daran hindern.
Dennoch können sich einige Magnetare nach einer explosiven Aktivität kurzzeitig in Pulsare verwandeln. Dies scheinen Zhang und sein Team bei SGR J1935+2154 beobachtet zu haben.
„Wie Impulse von Radiopulsaren werden Impulse von Magnetaren in einem engen Phasenfenster innerhalb der Periode emittiert“, erklärt Zhang. „Das ist der bekannte ‚Beacon‘-Effekt, nämlich dass der Emissionsstrahl die Sichtlinie einmal pro Periode und in jeder Periode nur für eine kurze Zeitspanne abtastet. Dann können wir die gepulste Radioemission beobachten. »
Als FRB 20200428 im April 2020 von demselben Magnetar entdeckt wurde, waren dieser FRB und mehrere darauf folgende weniger energiereiche Ausbrüche zufällig. Dies bedeutet, dass sie nicht Teil des präzisen Frequenzpulsfensters der Phase des SGR J1935+2154-Pulsars waren.
„Dies deutet stark darauf hin, dass die Impulse und Ausbrüche von unterschiedlichen Orten in der Magnetosphäre des Magnetars stammen, was möglicherweise auf unterschiedliche Emissionsmechanismen zwischen den Impulsen und Ausbrüchen schließen lässt“, fuhr Zhang fort.
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Ein mögliches Ergebnis dieser Untersuchung und ihrer Folgemaßnahmen ist ein besseres Verständnis dafür, warum sich einige FRBs wiederholen, die meisten jedoch nicht.
FAST entdeckte Tausende wiederholter FRBs, die aus denselben Quellen stammten, wahrscheinlich Magnetaren. Allerdings weisen diese sich wiederholenden FRBs im Gegensatz zu Pulsaren kein klares Muster oder keine „Periodizität“ auf. Dies lässt Zweifel an der Annahme aufkommen, dass FRBs von Magnetaren stammen.
Dies ist ein Zweifel, den diese Forschung klären könnte.
„Unsere Feststellung, dass Bursts dazu neigen, in zufälligen Phasen erzeugt zu werden, liefert eine natürliche Interpretation für die Nichterkennung der Periodizität sich wiederholender FRBs“, schließt Zhang. „Aus unbekannten Gründen neigen Ausbrüche dazu, von einem Magnetar in alle Richtungen ausgestrahlt zu werden, was es unmöglich macht, die Perioden von FRB-Quellen zu identifizieren.“ »
Die Forschungsergebnisse des Teams wurden am 28. Juli in der Zeitschrift Science Advances veröffentlicht.