Astrophysik in der Krise? Geheimnisvolles Objekt entdeckt, das alles verändern könnte

Astronomen entdecken ein Himmelsobjekt, das sich jeder Klassifizierung entzieht, und entdecken möglicherweise eine neue Art kosmischer Entität am Rande der bekannten Physik.

Manchmal stoßen Astronomen am Himmel auf Objekte, die wir nicht einfach erklären können. In unserer neuen Studie, veröffentlicht in Wissenschaftwir berichten über eine solche Entdeckung, die wahrscheinlich Diskussionen und Spekulationen auslösen wird.

Neutronensterne gehören zu den dichtesten Objekten im Universum. So kompakt wie ein Atomkern und doch so groß wie eine Stadt, stoßen sie an die Grenzen unseres Verständnisses extremer Materie. Je schwerer ein Neutronenstern ist, desto wahrscheinlicher ist es, dass er schließlich kollabiert und zu etwas noch Dichterem wird: einem Schwarzen Loch.

Eine künstlerische Darstellung des Systems unter der Annahme, dass der massereiche Begleitstern ein Schwarzes Loch ist. Der hellste Hintergrundstern ist sein Orbitarbegleiter, der Radiopulsar PSR J0514-4002E. Die beiden Sterne sind 8 Millionen Kilometer voneinander entfernt und umkreisen einander alle 7 Tage. Bildnachweis: Daniëlle Futselaar (artsource.nl)

Der Rand des Verstehens: Neutronensterne und Schwarze Löcher

Diese astrophysikalischen Objekte sind so dicht und ihre Anziehungskraft so stark, dass ihre Kerne – was auch immer sie sein mögen – dauerhaft durch Ereignishorizonte vom Universum abgeschirmt sind: Oberflächen vollkommener Dunkelheit, denen kein Licht entkommen kann.

Wenn wir jemals die Physik am Wendepunkt zwischen Neutronensternen und Schwarzen Löchern verstehen wollen, müssen wir Objekte an dieser Grenze finden. Insbesondere müssen wir Objekte finden, für die wir über lange Zeiträume präzise Messungen durchführen können. Und genau das haben wir gefunden – ein Objekt, das offensichtlich keins ist Neutronenstern noch ein schwarzes Loch.

Hubble-Weltraumteleskopbild des Kugelsternhaufens NGC 1851. Bildnachweis: NASA, ESA und G. Piotto (Università degli Studi di Padova); Bearbeitung: Gladys Kober (NASA/Catholic University of America)

Ein kosmischer Tanz in NGC 1851

Als wir tief in den Sternhaufen NGC 1851 blickten, entdeckten wir etwas, das wie ein Sternenpaar aussah und einen neuen Blick auf die Extreme der Materie im Universum bot. Das System besteht aus einer Millisekunde Pulsareine Art schnell rotierender Neutronenstern, der bei seiner Drehung Radiolichtstrahlen durch den Kosmos fegt, und ein massives, verborgenes Objekt unbekannter Natur.

Das massive Objekt ist dunkel, das heißt, es ist bei allen Lichtfrequenzen unsichtbar – vom Radio- bis zum optischen, Röntgen- und Gammastrahlenbereich. Unter anderen Umständen würde dies eine Untersuchung unmöglich machen, aber hier kommt uns der Millisekundenpulsar zu Hilfe.

Millisekundenpulsare ähneln kosmischen Atomuhren. Ihre Spins sind unglaublich stabil und können durch die Erkennung des regelmäßigen Radioimpulses, den sie erzeugen, präzise gemessen werden. Obwohl er intrinsisch stabil ist, ändert sich der beobachtete Spin, wenn der Pulsar in Bewegung ist oder wenn sein Signal durch ein starkes Gravitationsfeld beeinflusst wird. Durch die Beobachtung dieser Veränderungen können wir die Eigenschaften von Körpern in Umlaufbahnen mit Pulsaren messen.

Das Team nutzte das empfindliche MeerKAT-Radioteleskop, das sich in der Karoo-Halbwüste in Südafrika befindet. Bildnachweis: SARAO

Enthüllung des Geheimnisses mit MeerKAT

Unser internationales Astronomenteam nutzte das MeerKAT-Radioteleskop in Südafrika, um solche Beobachtungen des als NGC 1851E bezeichneten Systems durchzuführen.

Dadurch konnten wir die Umlaufbahnen der beiden Objekte genau beschreiben und zeigen, dass sich ihr Punkt der größten Annäherung mit der Zeit ändert. Solche Veränderungen werden durch Einsteins Relativitätstheorie beschrieben und die Geschwindigkeit einer Veränderung sagt uns etwas über die Gesamtmasse der Körper im System.

Unsere Beobachtungen ergaben, dass das System NGC 1851E fast viermal so viel wiegt wie unsere Sonne und dass der dunkle Begleiter wie der Pulsar ein kompaktes Objekt war – viel dichter als ein normaler Stern. Die massereichsten Neutronensterne wiegen etwa zwei Sonnenmassen. Wenn es sich also um ein Doppel-Neutronensternsystem handelte (Systeme, die bekannt und untersucht sind), müsste es zwei der schwersten Neutronensterne enthalten, die jemals gefunden wurden.

Um die Natur des Begleiters aufzudecken, müssten wir verstehen, wie die Masse im System zwischen den Sternen verteilt war. Mithilfe von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie konnten wir das System im Detail modellieren und dabei feststellen, dass die Masse des Begleiters zwischen dem 2,09- und 2,71-fachen der Sonnenmasse liegt.

Die Masse des Begleiters liegt in der „Massenlücke Schwarzer Löcher“, die zwischen den schwersten möglichen Neutronensternen liegt, von denen angenommen wird, dass sie etwa 2,2 Sonnenmassen haben, und den leichtesten Schwarzen Löchern, die durch Sternkollaps entstehen können, etwa 5 Sonnenmassen. Die Beschaffenheit und Entstehung von Objekten in dieser Lücke ist eine herausragende Frage der Astrophysik.

Mögliche Kandidaten

Was genau haben wir dann gefunden?

Mögliche Entstehungsgeschichte des Radiopulsars NGC 1851E und seines exotischen Begleitsterns. Bildnachweis: Thomas Tauris (Universität Aalborg / MPIfR)

Eine verlockende Möglichkeit besteht darin, dass wir einen Pulsar entdeckt haben, der die Überreste einer Verschmelzung (Kollision) zweier Neutronensterne umkreist. Eine solch ungewöhnliche Konfiguration wird durch die dichte Packung der Sterne in NGC 1851 ermöglicht.

Auf dieser überfüllten, herausragenden Tanzfläche drehen sich Stars umeinander und tauschen in einem endlosen Walzer ihre Partner. Wenn zwei Neutronensterne zu nahe aneinander geschleudert werden, endet ihr Tanz katastrophal.

Das durch ihre Kollision entstandene Schwarze Loch, das viel leichter sein kann als solche, die aus kollabierenden Sternen entstehen, kann dann frei durch den Sternhaufen wandern, bis es ein weiteres Tänzerpaar im Walzer findet und sich ziemlich unsanft einfügt – wodurch der leichtere Partner rausgeschmissen wird dabei. Es ist dieser Mechanismus von Kollisionen und Austausch, der das System entstehen könnte, das wir heute beobachten.

Fortsetzung der Suche

Wir sind mit diesem System noch nicht fertig. Es wird bereits daran gearbeitet, die wahre Natur des Begleiters endgültig zu identifizieren und zu enthüllen, ob wir das leichteste Schwarze Loch oder den massereichsten Neutronenstern entdeckt haben – oder vielleicht auch keines von beiden.

An der Grenze zwischen Neutronensternen und Schwarzen Löchern besteht immer die Möglichkeit, dass ein neues, noch unbekanntes astrophysikalisches Objekt existiert.

Dieser Entdeckung werden sicherlich noch viele Spekulationen folgen, aber es ist bereits klar, dass dieses System enorm vielversprechend ist, wenn es darum geht, zu verstehen, was in den extremsten Umgebungen des Universums wirklich mit Materie passiert.

Geschrieben von:

• Ewan D. Barr – Projektwissenschaftler für Transienten und Pulsare in Zusammenarbeit mit MeerKAT (TRAPUM), Max-Planck-Institut für Radioastronomie
• Arunima Dutta – Doktorandin in der Forschungsabteilung Grundlagenphysik in der Radioastronomie, Max-Planck-Institut für Radioastronomie
• Benjamin Stappers – Professor für Astrophysik, Universität Manchester

Adaptiert aus einem Artikel, der ursprünglich in The Conversation veröffentlicht wurde.