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Eine Illustration zeigt einen Neutronenstern-Pulsar, der einen schnellen Radioburst ausstößt (Bildnachweis: Robert Lea (erstellt mit Canva)/NASA)

Astronomen haben einen hochmagnetischen toten Stern, oder „Magnetar“, in der Milchstraße dabei erwischt, wie er sich kurzzeitig wie ein Pulsar verhält, eine Art Neutronenstern, der sich schnell dreht. Der Magnetar hat seine Pulsarverkleidung angelegt, nachdem er einen starken Strahlungsstoß abgegeben hatte, der ursprünglich im Jahr 2020 entdeckt wurde.

Die Emission ist ein Beispiel für einen schnellen Radioburst (FRB), eine mysteriöse Energieexplosion, deren Quellen und Ursprünge noch immer nicht gut verstanden sind. Während die meisten FRBs auf Quellen außerhalb der Milchstraße zurückgeführt wurden, stammt dieser, der als FRB 20200428 bezeichnet wird, aus unserer Galaxie und ist damit der erste „galaktische FRB“, der je beobachtet wurde. FRB 20200428 wurde mit dem hochmagnetischen Neutronenstern oder „Magnetar“ SGR J1935+2154 in Verbindung gebracht, der sich in etwa 30.000 Lichtjahren Entfernung befindet und das supermassive Schwarze Loch im Herzen der Milchstraße, Sagittarius A* (Sgr A*), umkreist.

Dies veranlasste viele Forscher zu der Theorie, dass FRBs, die außerhalb der Milchstraße entdeckt wurden, ebenfalls von Magnetaren stammen. Das Problem war, dass ein definitiver Beweis für diesen Zusammenhang fehlte. Bei der weiteren Beobachtung von SGR J1935+2154 auf der Suche nach dieser „rauchenden Waffe“ entdeckte ein internationales Forscherteam, dass sich der Magnetar wie ein schnell rotierender Neutronenstern oder „Pulsar“ verhielt, als er fünf Monate nach dem Start von FRB 20200428 in eine kurze „Radiopulsarphase“ eintrat.

Um diesen Milchstraßenmagnetar zu untersuchen, wandte sich das Team an das Five-hundred-meter Aperture Spherical Radio Telescope (FAST) in China, das FRB 20200428 als erstes entdeckte. Dieses massive Radioteleskop hat eine lange Geschichte, die es Forschern ermöglicht, nach FRBs zu suchen.

Interessant an der späten Pulsarphase von SGR J1935+2154 ist, dass FAST sie anders entdeckte als die FRB-Explosion des Magnetars. Das deutet für das Team darauf hin, dass diesen beiden Phänomenen unterschiedliche Ursachen zugrunde liegen.

„FAST entdeckte 795 Pulse in 16,5 Stunden über 13 Tage hinweg von der Quelle“, sagte Teamleiter Weiwei Zhu vom National Astronomical Observatory of China (NAOC) in einer Erklärung. Diese Pulse weisen andere Beobachtungseigenschaften auf als die von der Quelle beobachteten [FRB] -Bursts.“

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Dieser Unterschied in den „Emissionsmodi“ zwischen dem FRB und den Pulsen könnte den Astronomen helfen, besser zu verstehen, was FRBs sowohl innerhalb der Milchstraße als auch in großen kosmologischen Entfernungen auslöst. Es könnte auch mehr über Neutronensterne in ihren verschiedenen Erscheinungsformen enthüllen.

Magnetar tötete den Radiostern

Wie alle Neutronensterne entstehen auch Magnetare und Pulsare, wenn ein Stern, der mindestens achtmal massereicher als die Sonne ist, das Ende seines Brennstoffvorrats für die Kernfusion erreicht. Dadurch wird der nach außen gerichtete Energiefluss unterbrochen, der einen Stern gegen den nach innen drückenden Druck seiner eigenen Schwerkraft stützt.

Ohne diesen Strahlungsdruck nach außen kollabiert der Kern des Sterns. Dadurch werden Schockwellen durch das äußere Material geschickt, die eine gewaltige Supernova-Explosion auslösen. Infolge dieser katastrophalen Explosion werden die äußeren Schichten des Sterns weggeschleudert, so dass ein schnell kollabierender Sternkern mit der ein- bis zweifachen Masse der Sonne zurückbleibt. Das Ergebnis ist ein Neutronenstern, dessen Durchmesser dramatisch abnimmt.

Alle Neutronensterne haben einen geschätzten Durchmesser von etwa 20 Kilometern (12 Meilen), was bedeutet, dass sie bequem in einigen Großstädten auf der Erde Platz finden würden. Die Auswirkungen wären allerdings alles andere als angenehm.

Neutronensterne bestehen aus einer einzigartigen Form von unglaublich dichter Materie, die reich an Neutronen ist – Teilchen, die normalerweise mit Protonen in den Atomkernen eingeschlossen sind. Würde man eine würfelzuckergroße Probe dieser Materie aus einem Neutronenstern entnehmen und zur Erde bringen, so würde sie erstaunliche 1 Milliarde Tonnen wiegen. Das ist mehr als das Doppelte des Gewichts der gesamten menschlichen Ethnie, das auf 390 Millionen Tonnen geschätzt wird.

Dies ist jedoch nicht die einzige extreme Eigenschaft eines Neutronensterns.

Eine Illustration eines Neutronensterns im Vergleich zu Manhattan Island. (Bildnachweis: NASA’s Goddard Space Flight Center)

Wenn sich der Durchmesser eines frisch geborenen Neutronensterns schnell verringert, erhöht sich aufgrund der Drehimpulserhaltung seine Rotationsgeschwindigkeit massiv.

Ein sehr irdisches Beispiel dafür ist das Schlittschuhlaufen. Wenn ein Schlittschuhläufer die Geschwindigkeit seiner Drehung erhöhen will, zieht er die Arme ein. Pulsare sind Neutronensterne, die sich so schnell drehen können, dass sie Hunderte von Umdrehungen pro Sekunde vollführen. Der sich am schnellsten drehende Pulsar, der jemals entdeckt wurde, ist PSR J1748-2446ad, der sich 716 Mal pro Sekunde dreht. Ein Pulsar sendet auch Strahlen von seinen Polen aus. Das bedeutet, dass diese Art von Neutronenstern während seiner Drehung Strahlen durch das Universum schickt, wie ein kosmischer Leuchtturm.

Die Verringerung der Breite von Neutronensternen schiebt auch die Magnetfeldlinien des Vorgängersterns zusammen. Je näher die Magnetfeldlinien beieinander liegen, desto stärker werden sie. Das bedeutet, dass Neutronensterne die stärksten Magnetfelder im Universum haben, wobei einige über 1 Milliarde Tesla erreichen. Zum Vergleich: Die stärksten Magnetfelder, die hier auf der Erde erzeugt werden, liegen bei etwa 1.500 Tesla. Die Neutronensterne mit den stärksten Magnetfeldern werden Magnetare genannt.

Um es klar zu sagen: Alle Magnetare sind Neutronensterne, und alle Pulsare sind Neutronensterne, aber Magnetare unterscheiden sich von Pulsaren, weil sie in der Regel nicht die Strahlen von Radiowellen von ihren Polen haben, die sie pulsierend erscheinen lassen. Magnetare sind jedoch nicht emissionsfrei; sie werden seit langem als Quelle von FRBs genannt.

Artist’s impression of a magnetar starting a burst of X-ray and radio waves across the galaxy (Image credit: ESA)

Wenn ein Magnetar einen Pulsar nachahmt

Radioimpulse wie die, die das Team während der späten Pulsarphase von SGR J1935+2154 entdeckte, ähneln FRBs, aber die letzteren Emissionen sind zehn Milliarden Mal heller. Wie bereits erwähnt, treten sie auch bei Pulsaren auf, aber nicht so sehr bei Magnetaren. Die meisten Magnetare senden keine Radiowellenpulse aus, möglicherweise weil ihre starken Magnetfelder sie daran hindern.

Trotzdem können einige Magnetare kurzzeitig zu Pulsaren werden, nachdem sie einen Ausbruch erlebt haben. Das scheint es zu sein, was Zhang und das Team bei SGR J1935+2154 beobachtet haben.

„Wie die Pulse in Radiopulsaren werden die Magnetar-Pulse innerhalb eines engen Phasenfensters innerhalb der Periode ausgesendet“, erklärt Zhang. „Das ist der bekannte ‚Leuchtturm‘-Effekt, d.h. der Emissionsstrahl überstreicht die Sichtlinie einmal pro Periode und nur während eines kurzen Zeitintervalls in jeder Periode. Dann kann man die gepulste Radioemission beobachten.“

Als FRB 20200428 im April 2020 von demselben Magnetar entdeckt wurde, waren dieser FRB und mehrere weniger energiereiche Bursts, die ihm folgten, zufällig. Das bedeutet, dass sie nicht Teil des präzisen Frequenzpulsfensters der Pulsarphase von SGR J1935+2154 waren.

„Dies deutet stark darauf hin, dass die Pulse und Bursts von verschiedenen Orten innerhalb der Magnetosphäre stammen, was möglicherweise auf unterschiedliche Emissionsmechanismen zwischen Pulsen und Bursts hindeutet“, so Zhang weiter.

Ein mögliches Ergebnis dieser Untersuchung und ihrer Folgemaßnahmen ist ein besseres Verständnis dafür, warum sich einige FRBs wiederholen und die meisten nicht.

FAST hat Tausende von wiederholten FRBs von denselben Quellen, wahrscheinlich Magnetaren, entdeckt. Im Gegensatz zu den Pulsen von Pulsaren haben diese sich wiederholenden FRBs jedoch kein klares Muster, keine „Periodizität“. Dies hat Zweifel an der Annahme geweckt, dass FRBs von Magnetaren stammen.

Diese Zweifel könnte diese Forschung ausräumen.

„Unsere Entdeckung, dass Bursts in zufälligen Phasen erzeugt werden, liefert eine natürliche Interpretation für den Nicht-Nachweis von Periodizität bei sich wiederholenden FRBs“, schloss Zhang. „Aus unbekannten Gründen neigen Bursts dazu, von einem Magnetar in alle Richtungen emittiert zu werden, was es unmöglich macht, Perioden von FRB-Quellen zu identifizieren.“

Die Forschungsergebnisse des Teams wurden am 28. Juli in der Zeitschrift Science Advances veröffentlicht.