Astronomen haben gerade ein seit langem bestehendes Rätsel um einen seltenen, sich schnell drehenden Neutronenstern namens PSR J1023+0038 gelöst. Mithilfe des IXPE-Teleskops der NASA und einer Reihe von Observatorien entdeckten Wissenschaftler, dass die intensiven Röntgenstrahlen des Systems nicht, wie bisher angenommen, von seiner leuchtenden Akkretionsscheibe stammen, sondern vom chaotischen Wind aus Hochgeschwindigkeitsteilchen, die vom Pulsar selbst abgeschleudert werden. Die Ergebnisse stellen alte Modelle in Frage und enthüllen einen einzigen, leistungsstarken Mechanismus hinter der Pulsarstrahlung. Dies verändert unser Verständnis darüber, wie tote Sterne das Universum immer noch erleuchten, dramatisch.

Ein künstlerisches Diagramm der zentralen Region des PSR J1023+0038-Binärsystems, einschließlich des Pulsars, der inneren Akkretionsscheibe und des Pulsarwinds. Bildnachweis: Marco Maria Messa, Universität Mailand/INAF-OAB; Maria Cristina Baglio, INAF-OAB

Ein globales Astronomenteam hat eine wichtige Entdeckung darüber gemacht, wie die energiereichen Überreste explodierender Sterne mit dem umgebenden Weltraum interagieren. Forscher nutzten den IXPE (Imaging X-ray Polarimetry Explorer) der NASA zusammen mit mehreren anderen Observatorien, um neue Erkenntnisse über dieses dynamische kosmische Verhalten zu gewinnen.

Diese Wissenschaftler aus den USA, Italien und Spanien konzentrierten ihre Forschung auf ein mysteriöses Sternensystem namens PSR J1023+0038 (kurz J1023). Das System besteht aus einem schnell rotierenden Neutronenstern, der Material von einem kleineren Begleitstern absorbiert. Dadurch bildet sich um den Neutronenstern eine Akkretionsscheibe aus Material. Der Neutronenstern fungiert auch als Pulsar und sendet bei seiner Drehung einen intensiven Strahlungsstrahl von seinen Magnetpolen aus, der ein Muster erzeugt, das einem Leuchtturm ähnelt, der durch den Weltraum fegt.

Was den J1023 so wichtig macht, ist seine Fähigkeit, zwischen zwei verschiedenen Stufen umzuschalten. Zu einem bestimmten Zeitpunkt absorbiert der Pulsar aktiv Material von seinem Begleitstern. In einer anderen Phase wird es leiser und sendet erkennbare Impulse in Form von Radiowellen aus. Aufgrund dieses Verhaltens klassifizieren Astronomen ihn als „Übergangs-Millisekundenpulsar“.

Künstlerische Illustration der IXPE-Raumsonde im Orbit, mit der hochenergetische Phänomene Lichtjahre von der Erde entfernt untersucht werden. Bildquelle: NASA, bearbeitet

„Übergangs-Millisekundenpulsare sind kosmische Laboratorien, die uns helfen zu verstehen, wie sich Neutronensterne in binären Systemen entwickeln“, sagte Maria Cristina Baglio, Forscherin am Brera-Observatorium am Nationalen Institut für Astrophysik in Melate (INAF), Italien, und Hauptautorin eines Artikels in den Astrophysical Journal Letters, in dem die neuen Erkenntnisse beschrieben werden.

Die größte Frage der Wissenschaftler zu diesem Pulsarsystem ist: Woher kommen die Röntgenstrahlen? Die Antworten werden in umfassendere Theorien über Teilchenbeschleunigung, Akkretionsphysik und die Umgebung von Neutronensternen im Universum einfließen.

Die Quelle der Strahlung überraschte sie: Röntgenstrahlen von Pulsarwinden, einer chaotischen Mischung aus Gas, Stoßwellen, Magnetfeldern und Partikeln, die auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt wurden und in die Akkretionsscheibe einschlugen.

Um dies festzustellen, müssen Astronomen die Polarisationswinkel von Röntgenstrahlen und sichtbarem Licht messen. Die Polarisation ist ein Maß dafür, wie organisiert Lichtwellen sind. Sie beobachteten die Röntgenpolarisation mit IXPE, dem einzigen Teleskop, das diese Messung im Weltraum durchführen kann, und verglichen sie mit der optischen Polarisation am Very Large Telescope der Europäischen Südsternwarte in Chile. Das im Dezember 2021 gestartete IXPE hat zahlreiche Beobachtungen von Pulsaren durchgeführt, aber J1023 ist das erste System dieser Art, das es erforscht hat.

Der Neutron Star Interior Composition Explorer (NICER) der NASA und das Neil Grylls Swift Observatory haben wertvolle Beobachtungen des Systems im hochenergetischen Licht geliefert. Zu den weiteren Teleskopen, die Daten liefern, gehört das Carl G. Jansky Very Large Array in Magdalena, New Mexico.

Das Ergebnis: Wissenschaftler fanden heraus, dass die Polarisationswinkel verschiedener Wellenlängen gleich waren. „Diese Entdeckung ist ein starker Beweis dafür, dass das von uns beobachtete Licht auf einem einzigen, kohärenten physikalischen Mechanismus beruht“, sagte der Co-Hauptautor der Studie, Francesco Coti Zelati vom Institut für Weltraumwissenschaften in Barcelona, ​​​​Spanien.

Die Forscher sagen, dass diese Erklärung die konventionelle Sichtweise der Neutronensternstrahlung in Doppelsternsystemen in Frage stellt. Frühere Modelle deuteten darauf hin, dass die Röntgenstrahlen von Akkretionsscheiben stammten, aber die neue Studie zeigt, dass sie von Pulsarwinden stammen.

Pulsarwind als Primärenergiemotor

„IXPE beobachtete viele isolierte Pulsare und stellte fest, dass Pulsarwinde die Röntgenstrahlen antreiben“, sagte Philip Kaaret, NASA-Marshall-Astrophysiker und IXPE-Hauptforscher am Marshall Space Flight Center der NASA in Huntsville, Alabama. „Diese neuen Beobachtungen zeigen, dass der Pulsarwind einen Großteil der Energieproduktion des Systems antreibt.“

Astronomen untersuchen weiterhin Übergangs-Millisekundenpulsare und bewerten, wie sich ihre beobachtete Physik mit der anderer Pulsare und Pulsarwindnebel vergleicht. Baglio und Cody Zelati sind sich einig, dass diese Beobachtungen dazu beitragen werden, theoretische Modelle zu verfeinern, die beschreiben, wie Pulsarwinde Strahlung erzeugen, und Forscher einem umfassenden Verständnis der in diesen außergewöhnlichen kosmischen Systemen wirkenden Physik näher bringen werden.

Zusammengestellt von /scitechdaily