Am 5. Oktober 2020 veränderte die schnell rotierende Leiche eines längst gestorbenen Sterns rund 30.000 Lichtjahre von der Erde entfernt ihre Rotationsgeschwindigkeit. In einem kosmischen Moment verlangsamte sich ihre Rotation. Und ein paar Tage später begann sie plötzlich Radiowellen zu emittieren.
Dank der Zeitmessungen spezialisierter Teleskope im Erdorbit konnten der Astrophysiker Matthew Baring von der Rice University und seine Kollegen eine neue Theorie über eine mögliche Ursache für die seltene Verlangsamung von SGR 1935+2154 überprüfen. SGR 1935+2154 ist ein hochgradig magnetischer Neutronensterntyp, der als Magnetar bezeichnet wird.
In einer Studie, die diesen Monat in Nature Astronomy veröffentlicht wird, nutzten Baring und seine Co-Autoren Röntgendaten der ESA-Mission XMM-Newton und der NASA-Mission NICER (Neutron Star Interior Composition Explorer), um die Rotation des Magnetars zu analysieren. Sie zeigten, dass die plötzliche Verlangsamung durch einen vulkanähnlichen Bruch auf der Oberfläche des Sterns verursacht worden sein könnte, der einen “Wind” aus massereichen Teilchen in den Weltraum blies.
Die Studie identifizierte, wie ein solcher Wind die Magnetfelder des Sterns verändern und Bedingungen schaffen könnte, die wahrscheinlich die Radioemissionen aktivieren würden, die danach von der chinesischen FAST-Mission (Five-hundred-meter Aperture Spherical Telescope) registriert wurden.
“Man hat spekuliert, dass Neutronensterne das Äquivalent von Vulkanen auf ihren Oberflächen besitzen könnten”, sagte Baring, ein Professor für Physik und Astronomie. “Unsere Ergebnisse sprechen dafür, dass dies so sein könnte und dass der Bruch in diesem Fall wahrscheinlich am oder in der Nähe des Magnetpols des Sterns auftrat.”
SGR 1935+2154 und andere Magnetare sind eine Unterklasse der Neutronensterne – die kompakten Überreste eines toten Sterns, der unter seiner eigenen starken Gravitation kollabierte. Sie sind etwa 20 Kilometer groß und so dicht wie der Kern eines Atoms. Magnetare rotieren einmal in ein paar Sekunden und besitzen die stärksten Magnetfelder im Universum.
Magnetare emittieren intensive Strahlung, darunter Röntgenstrahlung und gelegentlich Radiowellen und Gammastrahlen. Astronomen können anhand der Emissionen viel über die ungewöhnlichen Sterne erfahren. Indem sie die Röntgenimpulse zählen, können Physiker beispielsweise die Rotationsperiode eines Magnetars berechnen (die Zeit, die er für eine vollständige Rotation um sich selbst benötigt, so wie die Erde es in einem Tag tut). Die Rotationsperioden von Magnetaren verändern sich normalerweise langsam; es dauert zig tausend Jahre, um nur um eine einzige Rotation pro Sekunde langsamer zu werden.
Glitches sind plötzliche Zunahmen der Rotationsgeschwindigkeit, die Baring zufolge oft durch plötzliche Verschiebungen tief innerhalb des Sterns entstehen.
“Bei den meisten Glitches wird die Pulsationsperiode kürzer, was bedeutet, dass der Stern ein bisschen schneller rotiert als vorher”, sagte er. “Die Lehrbuch-Erklärung besagt, dass die äußeren, magnetisierten Schichten des Sterns mit der Zeit langsamer werden, aber der innere, unmagnetisierte Kern nicht. Das führt zu einem Anwachsen der Belastung an der Grenze zwischen diesen beiden Regionen, und ein Glitch signalisiert eine plötzliche Übertragung von Rotationsenergie aus dem schneller rotierenden Kern auf die langsamer rotierende Kruste.”
Plötzliche Verlangsamungen der Rotationsgeschwindigkeit von Magnetaren sind sehr selten. Astronomen haben inklusive des Ereignisses vom Oktober 2020 nur drei dieser “Anti-Glitches” registriert.
Während Glitches gut durch Veränderungen innerhalb des Sterns erklärt werden können, gilt das nicht für Anti-Glitches. Barings Theorie basiert auf der Vermutung, dass sie durch Veränderungen auf der Oberfläche des Sterns und im umgebenden Weltraum erzeugt werden. In der neuen Studie konstruierten er und seine Co-Autoren ein vulkangetriebenes Windmodell, um die gemessenen Ergebnisse des Anti-Glitch vom Oktober 2020 zu erklären.
Baring sagte, das Modell nutze nur die Standardphysik, insbesondere Veränderungen des Drehimpuls und der Umwandlung von Energie, um die Verlangsamung der Rotationsgeschwindigkeit zu berücksichtigen.
“Ein starker, massereicher Teilchenwind von dem Stern über einen Zeitraum von wenigen Stunden könnte die Bedingungen für die Verlangsamung der Rotationsperiode schaffen”, sagte er. “Unsere Berechnungen zeigten, dass ein solcher Wind auch die Kraft haben würde, die Geometrie des Magnetfeldes außerhalb des Neutronensterns zu verändern.”
Der Bruch könnte eine vulkanähnliche Formation sein, weil die allgemeinen Eigenschaften der Röntgenpulse wahrscheinlich erfordern, dass der Wind aus einer lokal begrenzten Region auf der Oberfläche hervorgeht”, sagte er.
“Was das Ereignis vom Oktober 2020 einzigartig macht, ist dass es auf dem Magnetar einen schnellen Radioausbruch nur wenige Tage nach dem Anti-Glitch gab, sowie das Aktivieren gepulster Radioemissionen kurz danach”, sagte er. “Wir haben nur eine Handvoll temporärer gepulster Radiomagnetare beobachtet, und dies ist das erste Mal, dass wir die Radioaktivierung eines Magnetars fast zeitgleich mit einem Anti-Glitch gesehen haben.”
Baring argumentierte, dass diese zeitliche Übereinstimmung darauf hindeutet, dass der Anti-Glitch und die Radioemissionen durch dasselbe Ereignis verursacht wurden und er ist guter Dinge, dass weitere Untersuchungen des Vulkanismusmodells mehr Antworten bringen werden.
“Die Windinterpretation liefert eine Möglichkeit zu verstehen, warum die Radioemission aktiviert wird”, sagte er. “Sie bietet neue Einblicke, die wir vorher nicht hatten.”
Die Studie wurde von der National Science Foundation (1813649), der NASA (80NSSC22K0397), dem RIKEN Advanced Science Institute dem taiwanesischen Ministerium für Wissenschaft und Technologie unterstützt.
(THK)
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