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Eine Illustration eines sonnenähnlichen Sterns, der von einem verborgenen Neutronenstern umkreist wird.(Bildnachweis: Caltech/Kareem El-Badry)

Astronomen haben 21 Doppelsternsysteme entdeckt, in denen sonnenähnliche Sterne einen versteckten „toten Stern“ umkreisen, ein extrem dichtes und kompaktes Objekt, das Neutronenstern genannt wird.

Einer der Neutronensterne, die in dieser Gruppe von Doppelsternen entdeckt wurden, ist einer der massereichsten toten Sterne dieses Typs, die je gesehen wurden.

Obwohl wir daran gewöhnt sind, dass Sterne wie unsere Sonne Einzelsterne sind, existiert mindestens die Hälfte aller Sterne mit der Masse der Sonne in Doppelsternsystemen. Dieser Anteil erhöht sich bei massereicheren Sternen auf 75 %. Infolgedessen existieren auch stellare Überbleibsel wie Neutronensterne und schwarze Löcher (die aus dem Tod von Riesensternen entstehen) in Doppelsternsystemen, sowohl mit anderen toten Sternen als auch mit massereichen Sternen.

Eine binäre Konfiguration, die sich jedoch als äußerst selten erwiesen hat, ist ein Neutronenstern, der von einem sonnenähnlichen Stern umkreist wird. Mit Hilfe der Raumsonde Gaia der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) haben Astronomen eine neue Population dieser schwer fassbaren Doppelsternsysteme entdeckt.

Neutronensterne umkreisen oft gewöhnliche Sterne wie die Sonne, aber in einer Nähe, die dazu führt, dass sich diese toten Sterne wie kosmische Vampire von ihren Begleitern ernähren. Was diese Gruppe von Neutronenstern-Normalstern-Doppelsternen so besonders macht, ist, dass sie viel weiter voneinander entfernt sind, was unser Verständnis darüber, wie solche Systeme entstehen, in Frage stellen könnte.

„Binäre Entwicklungsmodelle sagen voraus, dass Neutronenstern- und Normalstern-Doppelsterne hauptsächlich in engen Umlaufbahnen geboren werden sollten, wobei sich Neutronenstern und Begleiter fast berühren“, sagte der Leiter des Entdeckungsteams, Kareem El-Badry, ein Forscher am Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA), gegenüber kosmischeweiten.de. „Diese Doppelsterne sind viel weiter als das, mit Abständen, die etwa 300 bis 1.000 Mal so groß sind wie die der Sterne.

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„Dies bedeutet, dass alternative Modelle für die Bildung von Neutronensternen und normalen Sternen erforderlich sein könnten.“

Umlaufbahn von Neutronensternen um 21 sonnenähnliche Sterne, wie sie von der europäischen Gaia-Mission entdeckt wurden. (Bildnachweis: Caltech/Kareem El-Badry)

Diese Neutronensterne widerstehen dem Verzehr ihres stellaren Begleiters

Neutronensterne entstehen, wenn Sterne mit mindestens achtmal so viel Masse wie die Sonne ihren Brennstoff für die Kernfusion verbrauchen, wodurch der Druck nach außen, der sie gegen den Druck ihrer eigenen Schwerkraft nach innen stützt, endet.

Wenn die Kerne solcher Sterne kollabieren, werden ihre äußeren Schichten in gewaltigen Supernova-Explosionen weggesprengt. Zurück bleibt ein Sternkern mit einer Masse, die ein- bis zweimal so groß ist wie die der Sonne, und mit einer Breite von etwa 20 Kilometern (12 Meilen).

Einer der neu entdeckten Neutronensterne liegt genau am Rande dieses theoretischen Massenbereichs und hat die 1,9-fache Masse der Sonne, was ihn zu einem der massivsten Neutronensterne macht, die je gesehen wurden.

Das wirklich Bedeutende an diesen Doppelsternen ist, dass sie die Frage aufwerfen, wie sie die Umwandlung des einen Sterns in einen Neutronenstern überlebt haben.

Während dieses Prozesses hätte der massereiche Stern seinen kleinen stellaren Begleiter gewaltsam angreifen und ihn wahrscheinlich sogar verschlingen müssen, wenn auch nur vorübergehend. Als der baldige Neutronenstern in einer Supernova-Explosion explodierte, sollte der kleinere Stern nach aktuellen Modellen „weggeschleudert“ worden sein und die Existenz des Doppelsterns beendet haben.

„Die Entdeckung dieser neuen Systeme zeigt, dass zumindest einige Doppelsterne diese kataklysmischen Prozesse überleben, auch wenn die Modelle noch nicht vollständig erklären können, wie“, sagte El-Badry.

Eine Illustration zeigt das Weltraumteleskop Gaia bei der Beobachtung eines Doppelsternsystems. (Bildnachweis: SALT/ESA)

Gaia ist in der Lage, Entdeckungen wie diese zu machen, weil es in der Lage ist, die Position und Bewegung von Milliarden von Sternen vor dem Hintergrund des Himmels genau zu messen. Die präzise Verfolgung der Sternbewegungen offenbart die Gravitationseinflüsse, die von ihren dunklen Neutronenstern-Begleitern auf diese Sterne, die die sichtbaren Komponenten dieser Doppelsternsysteme sind, ausgeübt werden, obwohl die beiden Objekte des Duos weit voneinander entfernt sind.

Dieser Einfluss wird als winziges Taumeln in der Bewegung des Sterns erkannt, das durch den Zug des Neutronensternbegleiters verursacht wird. Dies ist das erste Mal, dass Neutronensterne allein durch ihren Gravitationseinfluss nachgewiesen werden konnten.

„Gaia kann die extrem kleinen Verschiebungen der sonnenähnlichen Sterne auf der Himmelsebene erkennen und ihre Position mit einer Genauigkeit messen, die mit der Breite eines menschlichen Haares aus einer Entfernung von 5.000 Kilometern vergleichbar ist“, sagte El-Badry. „Es ist die einzige astronomische Einrichtung, die dies derzeit tun kann“.

Gaia ist tatsächlich empfindlicher für die größeren Umlaufbahnen und längeren Umlaufzeiten dieser Systeme. El-Badry erklärte, wenn diese Neutronensterne näher an ihren Begleitsternen wären, wäre das von ihnen verursachte Wackeln für die ESA-Raumsonde zu gering gewesen.

Gaia wurde auch durch die Tatsache begünstigt, dass sich diese Doppelsterne in der Nähe der Erde befinden, in einer Entfernung von nur etwa 3.000 Lichtjahren. Das mag wie eine riesige Entfernung erscheinen, aber im Vergleich zur 100.000 Lichtjahre breiten Milchstraße ist sie relativ klein.

Auch wenn die Entdeckung von 21 dieser Doppelsternsysteme eine große Sache ist, sagte El-Badry, dass es unwahrscheinlich ist, dass dies das Denken über die Seltenheit von großen Neutronenstern-Normalstern-Doppelsternsystemen im Kosmos ändern wird.

„Wir schätzen, dass etwa einer von einer Million Sternen vom Sonnentyp einen Neutronenstern in einer weiten Umlaufbahn umkreist“, erklärte er. „Wir waren allerdings nicht sonderlich überrascht, sie zu entdecken! Wir hatten gehofft, dass eine solche Population mit Gaia aufgespürt werden könnte, und die Charakterisierung dieser Objekte war in den letzten Jahren eines der Hauptprojekte meiner Forschungsgruppe.“

El-Badry erklärte, dass der nächste Schritt für diese Forschung darin besteht, dass das Team Modelle erstellt, um die Entstehung und zukünftige Entwicklung von Neutronenstern-Normalstern-Doppelsternen zu untersuchen.

Die CfA-Forscher wollen Gaia auch für die Suche nach großen Doppelsternsystemen mit einem normalen Stern und einem nicht nährenden Schwarzen Loch nutzen.

„Wir wissen auch nicht mit Sicherheit, wie diese Doppelsternsysteme mit Schwarzen Löchern entstanden sind“, schloss El-Badry. „Es gibt eindeutig Lücken in unseren Modellen für die Entwicklung von Doppelsternen. Wenn wir mehr von diesen dunklen Begleitern finden und ihre Populationsstatistiken mit den Vorhersagen verschiedener Modelle vergleichen, können wir herausfinden, wie sie entstehen.“

Gaia hat bereits seine Fähigkeit unter Beweis gestellt, ruhige und dunkle schwarze Löcher aufzuspüren.

Im April 2023 entdeckte Gaia zwei dunkle schwarze Löcher mit den Bezeichnungen Gaia BH1 und Gaia BH2, die 1.560 Lichtjahre bzw. 3.800 Lichtjahre von der Erde entfernt sind. Erst in diesem Jahr entdeckte das Weltraumteleskop Gaia BH3, nur 2.000 Lichtjahre von der Erde entfernt. Dies sind die drei unserem Planeten am nächsten gelegenen Schwarzen Löcher, die jemals entdeckt wurden.

Die Forschungsergebnisse des Teams werden am 15. Juli im Open Journal of Astrophysics veröffentlicht.