Fermi und LOFAR finden den zweitschnellsten Pulsar

Künstlerische Darstellung des LOFAR "Superterp" bei Exloo (Niederlande), darüber ein Teil des von Fermi beobachteten Himmels im Gammabereich. Die Positionen der Pulsare J0952-0607 (Mitte rechts) und J1552+5437 (oben links) sind markiert. (Credits: NASA / DOE / Fermi LAT Collaboration and ASTRON)
Künstlerische Darstellung des LOFAR "Superterp" bei Exloo (Niederlande), darüber ein Teil des von Fermi beobachteten Himmels im Gammabereich. Die Positionen der Pulsare J0952-0607 (Mitte rechts) und J1552+5437 (oben links) sind markiert. (Credits: NASA / DOE / Fermi LAT Collaboration and ASTRON)

Durch die Nachfolgebeobachtung rätselhafter Hochenergiequellen, die vom Fermi Gamma-ray Space Telescope der NASA kartiert wurden, hat das in den Niederlanden ansässige Low Frequency Array (LOFAR) Radioteleskop einen Pulsar identifiziert, der mit mehr als 42.000 Umdrehungen pro Minute rotiert. Diese Eigenschaft macht ihn zu dem Pulsar mit der zweitschnellsten bekannten Rotationsfrequenz.

Ein Pulsar ist der Kern eines massereichen Sterns, der als Supernova explodierte. In diesem stellaren Überrest, einem Neutronenstern, steckt die gleiche Masse wie in einer halben Million Erden – komprimiert in eine magnetische, rotierende Kugel, die nicht größer ist als Washington, D.C. Das rotierende Magnetfeld erzeugt Strahlen aus Radiowellen, sichtbarem Licht, Röntgenstrahlung und Gammastrahlung. Wenn ein solcher Strahl zufällig die Erde streift, beobachten Astronomen regelmäßige Strahlungspulse und klassifizieren das Objekt als Pulsar.

"Ungefähr ein Drittel der von Fermi gefundenen Gammastrahlungsquellen wurden nicht in anderen Wellenlängen registriert", sagte Elizabeth Ferrara, ein Mitglied des Entdeckungsteams vom Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt (Maryland). "Viele dieser nicht verbundenen Quellen könnten Pulsare sein, aber wir brauchen oft Nachfolgestudien von Radioobservatorien, um die Pulse zu entdecken und es zu nachzuweisen. Bei der Suche nach ihnen gibt es ein regelrechtes Zusammenwirken über die extremen Enden des elektromagnetischen Spektrums hinweg."

Das neue Objekt mit der Katalogbezeichnung PSR J0952-0607 oder kurz J0952 ist als Millisekundenpulsar klassifiziert und liegt zwischen 3.200 und 5.700 Lichtjahre entfernt im Sternbild Sextans (Sextant). Der Pulsar enthält etwa das 1,4-fache der Sonnenmasse und wird alle 6,4 Stunden von einem Begleitstern umkreist, der bis auf weniger als die 20-fache Jupitermasse aufgezehrt wurde. Die Wissenschaftler berichten über ihre Ergebnisse in einer Studie, die am 10. September 2017 in den Astrophysical Journal Letters veröffentlicht wird und hier online verfügbar ist.

Zu einem Zeitpunkt in der Vergangenheit des Systems begann Materie von dem Begleitstern auf den Pulsar zu strömen, wodurch seine Rotationsfrequenz langsam auf 707 Umdrehungen pro Sekunde oder mehr als 42.000 Umdrehungen pro Minute erhöht wurde. Das ließ auch seine Emissionen stark zunehmen. Letztendlich begann der Pulsar seinen Begleiter zu verdampfen, und dieser Prozess hält bis heute an.

Aufgrund ihrer Ähnlichkeit mit Spinnen, die ihre Geschlechtspartner fressen, werden Systeme wie J0952 auch als Schwarze-Witwen- oder Rotrücken-Pulsare bezeichnet, abhängig davon, wie viel des Begleitsterns übrig ist. Die meisten bekannten Systeme dieses Typs wurden im Rahmen von Nachfolgeuntersuchungen an den von Fermi registrierten, unzusammenhängenden Quellen gefunden.

Die LOFAR-Entdeckung weist auch auf das Potenzial hin, eine neue Population ultraschneller Pulsare zu finden. "LOFAR empfing Pulse von J0952 bei Radiofrequenzen um 135 Mhz, was etwa 45 Prozent geringer als die niedrigsten Frequenzen von gewöhnlichen Radiodurchmusterungen ist", sagte der leitende Autor Cees Bassa vom Netherlands Institute for Radio Astronomy (ASTRON). "Wir stellten fest, dass J0952 ein steiles Radiospektrum besitzt. Das bedeutet, seine Radiopulse werden in höheren Frequenzen sehr schnell schwächer. Es wäre eine Herausforderung gewesen, den Pulsar ohne LOFAR zu finden."

Theoretiker sagen, dass Pulsare bis zu 72.000 Mal pro Minute rotieren können, bevor sie auseinanderbrechen. Trotzdem entspricht die schnellste bekannte Rotationsfrequenz, erreicht von PSR J1748-2446ad, nur 60 Prozent des theoretischen Maximums. Möglicherweise können sich einfach keine Pulsare mit schnelleren Rotationsfrequenzen bilden. Aber der Unterschied zwischen Theorie und Beobachtung könnte auch aus der Schwierigkeit resultieren, die am schnellsten rotierenden Objekte zu registrieren.

"Es gibt vermehrt Belege dafür, dass die schnellsten Pulsare zu den steilsten Spektren tendieren", sagte der Co-Autor Ziggy Pleunis, ein Doktorand an der McGill University in Montreal (Kanada). Der erste mit LOFAR entdeckte Millisekundenpulsar, entdeckt von Pleunis, ist J1552+5437, der mit 25.000 Umdrehungen pro Minute rotiert und ebenfalls ein steiles Spektrum zeigt. "Weil LOFAR-Suchprojekte empfindlicher gegenüber diesen Radiopulsaren mit steilen Spektren sind, könnten wir herausfinden, dass sogar noch schnellere Pulsare tatsächlich existieren und von anderen Durchmusterungsprojekten in höheren Frequenzen übersehen wurden", erklärte er.

Während seiner neun Jahre im Orbit hat Fermi eine Rolle bei der Entdeckung von mehr als 100 Pulsaren gespielt, entweder durch direkten Nachweis der Gammastrahlenpulse oder bei Nachfolgebeobachtungen von unzusammenhängenden Quellen im Radiowellenbereich. LOFAR ist ein Radioteleskop, das aus einem internationalen Netzwerk von Antennenstationen besteht und für die Beobachtung des Universums in Frequenzen zwischen 10 MHz und 250MHz entwickelt wurde. Das von ASTRON betriebene Netzwerk umfasst Stationen in den Niederlanden, Deutschland, Schweden, Großbritannien, Frankreich, Polen und Irland.

Das Fermi Gamma-ray Space Telescope der NASA ist eine Partnerschaft aus Astrophysik und Teilchenphysik, entwickelt in Zusammenarbeit mit dem US-Energieministerium und mit wichtigen Beiträgen von akademischen Einrichtungen und Partnern in Frankreich, Deutschland, Italien, Japan, Schweden und den Vereinigten Staaten.

(THK)

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