Chinas Sky Eye FAST entdeckt extrem kurzperiodisches, hellstes Doppel-Neutronensternsystem

Zusammenfassung:

Vor Kurzem machte das FAST-Team zur Untersuchung galaktischer Ebenenpulsare unter der Leitung des Forschers Han Jinlin vom National Astronomical Observatory mithilfe der ultrahohen Nachweisempfindlichkeit von China Sky Eye FAST eine wichtige Entdeckung und erfasste ein Doppel-Neutronensternsystem PSRJ1856-0039 in einer engen Umlaufbahn. Bei diesem System handelt es sich um ein binäres Neutronensternsystem mit einer extrem kurzen Umlaufzeit und der geringsten derzeit bekannten Gesamtmasse. Mehrere Beobachtungsergebnisse haben die allgemeine Relativitätstheorie genau bestätigt und ein wichtiges neues Ziel für die Erforschung der extremen Astrophysik, der Natur der Schwerkraft und des Ursprungs der Elemente im Universum geschaffen. Die relevanten Forschungsergebnisse wurden am 15. September 2026 in Physical Review Letters (PRL) veröffentlicht und vom Herausgeber der Zeitschrift als zentrales Empfehlungsergebnis ausgewählt.

Neutronensterne sind extrem dichte Himmelskörperreste, die nach dem Tod und Kollaps massereicher Sterne entstehen. Sie arbeiten nach präzisen und stabilen Regeln und werden als „Präzisionsuhr des Universums“ bezeichnet. Das binäre Neutronensternsystem besteht aus zwei Neutronensternen, die einander umkreisen. Es handelt sich um ein äußerst seltenes besonderes Himmelskörpersystem im Universum. Bisher wurden nur 30 Fälle von Menschen entdeckt. Ein solches Himmelssystem entstand nach zwei Supernova-Explosionen und wird in Zukunft durch Gravitationswellenstrahlung verschmelzen und sich weiterentwickeln. Es ist eine wichtige Geburtsquelle schwerer Elemente wie Gold und Platin im Universum. Es ist auch ein ideales Naturlabor für die Untersuchung extrem dichter Materiezustände, die Prüfung der Allgemeinen Relativitätstheorie und die Analyse des Mechanismus von Supernova-Explosionen. Unter ihnen weisen kurzperiodische Doppelneutronensterne stärkere relativistische Effekte und kürzere Verschmelzungszeiten auf und haben einen besonders herausragenden wissenschaftlichen Forschungswert. Sie waren schon immer das zentrale wissenschaftliche Ziel der Pulsaruntersuchungen internationaler Großradioteleskope.

Als empfindlichstes Einzelapertur-Radioteleskop der Welt ist FAST mit einem leistungsstarken L-Band-19-Strahl-Kühlempfänger ausgestattet und verfügt über extrem starke Pulsarerkennungsfähigkeiten. In dieser Studie stützte sich das Team auf einen selbst entwickelten Schnappschuss-Beobachtungsmodus, um eine groß angelegte systematische Suche nach Pulsaren auf der galaktischen Ebene durchzuführen und konnte bisher etwa 900 neue Pulsare erfolgreich entdecken. Durch kontinuierliche, präzise Beobachtungen identifizierte das Team viele Fälle spezieller Himmelssysteme, und PSRJ1856-0039 war eine der bahnbrechenden Entdeckungen.

Beobachtungsdaten zeigen, dass die Umlaufzeit dieses binären Neutronensternsystems nur 2,36 Stunden beträgt und damit an zweiter Stelle unter den bekannten binären Neutronensternsystemen steht. Aufgrund der extrem kurzen Umlaufzeit ist der Abstand zwischen den beiden Neutronensternen äußerst gering und die Umlaufbahnen der einander umkreisenden Doppelsterne äußerst dicht. Es ist eines der binären Neutronensternsysteme mit den bedeutendsten relativistischen Effekten, die derzeit bekannt sind. Gleichzeitig hat dieses System die untere Grenze der der Menschheit bekannten Masse von Doppelneutronensternen aktualisiert. Die Gesamtmasse beträgt nur das 2,488-fache der Sonnenmasse und ist damit die leichteste Doppel-Neutronensternkombination, die jemals entdeckt wurde. Unter ihnen beträgt die Masse des sichtbaren Pulsars etwa das 1,30-fache der Sonnenmasse und die Masse des begleitenden Neutronensterns beträgt etwa das 1,19-fache der Sonnenmasse. Dieser Begleitstern zählt zu den leichtesten bekannten Neutronensternen der Welt und nähert sich der unteren theoretischen Massengrenze von Neutronensternen, was starke Einschränkungen für die genaue Analyse des physikalischen Mechanismus von Supernova-Explosionen darstellt.

Dank der extrem dichten Umlaufbahn verfügt das System über eine extrem starke Gravitationsumgebung und das Forschungsteam konnte erfolgreich eine Reihe klarer relativistischer Effekte beobachten. Sie erfassten genau die Periapsispräzession der elliptischen Umlaufbahn, die durch das starke Gravitationsfeld verursachte Rotverschiebung der Photonenfrequenz, den durch Hochgeschwindigkeitsbewegungen verursachten Zeitdilatationseffekt sowie den Energieverlust des Systems aufgrund der kontinuierlichen Strahlung von Gravitationswellen und des langsamen Abfalls der Umlaufperiode. Datenberechnungen zeigen, dass das Verhältnis des dieses Mal gemessenen Abschwächungswerts der Umlaufperiode zum durch die allgemeine Relativitätstheorie vorhergesagten Wert 1,009 ± 0,014 beträgt, was die Richtigkeit der allgemeinen Relativitätstheorie bestätigt.

Laut der Modellableitung des Teams wird das System in etwa 82 Millionen Jahren verschmelzen und schließlich mit hoher Wahrscheinlichkeit einen massereicheren Neutronenstern bilden. Dieser besondere Evolutionsweg spielt eine wichtige Rolle bei der Lösung des Problems der Zustandsgleichung im Neutronenstern und der Erforschung der Herkunft schwerer Elemente wie Gold und Platin im Universum.

Das System ist auch für spätere wissenschaftliche Durchbrüche geeignet. Seine extrem geringe Bahnneigung und extrem kurze Umlaufperiode schaffen hervorragende Bedingungen für die Erkennung des Referenzrahmen-Widerstandseffekts, der entsteht, wenn der Pulsar rotiert. Derzeit haben nur ein oder zwei Beispiele binärer Neutronensternsysteme das Potenzial, diesen Effekt nachzuweisen. Der Widerstandseffekt des Bezugssystems steht in direktem Zusammenhang mit der Rotationsträgheit des Neutronensterns. Basierend auf den kontinuierlichen hochpräzisen Beobachtungen von FAST soll anschließend die Rotationsträgheit des Neutronensterns genau gemessen werden. In Kombination mit den genau gemessenen Massendaten von Neutronensternen können Langzeitbeobachtungen und -forschung wichtige Randbedingungen für hochmoderne wissenschaftliche Fragestellungen liefern, wie etwa die Aufdeckung des inneren Materialzustands von Neutronensternen und die Erforschung der grundlegenden Eigenschaften der Raum-Zeit-Schwerkraft.

Diese Forschung wird durch wichtige Forschungs- und Entwicklungsprojekte des Ministeriums für Wissenschaft und Technologie und Institutionalisierungsprojekte der Chinesischen Akademie der Wissenschaften unterstützt. Um mehr über das Projekt „FAST Galactic Plane Pulsar Survey“ und die damit verbundenen Daten zu erfahren, besuchen Sie bitte die Projektwebsite: http://zmtt.bao.ac.cn/GPPS/.