Illustrationen eines schwarzen Lochs (links) und von Magnetfeldern, die von der Oberfläche eines Neutronensterns ausgehen (rechts) (Bildnachweis: NASA’s Goddard Space Flight Center/S. Wiessinger, ESA/Gaia/DPAC)
Astronomen haben ein geheimnisvolles Objekt in der Milchstraße entdeckt, das massereicher als der schwerste Neutronenstern, aber leichter als das kleinste Schwarze Loch ist.
Der geheimnisvolle Körper könnte den Wissenschaftlern helfen, die Trennlinie zwischen Neutronensternen und Schwarzen Löchern besser zu bestimmen, die beide entstehen, wenn ein massereicher Stern stirbt.
„Beide Möglichkeiten für die Natur des Begleiters sind aufregend“, sagte der Leiter des Teams und Professor für Astrophysik an der Universität Manchester, Ben Stappers, in einer Erklärung. „Ein Pulsar-Schwarzes-Loch-System wird ein wichtiges Ziel sein, um Theorien der Schwerkraft zu testen, und ein schwerer Neutronenstern wird neue Einblicke in die Kernphysik bei sehr hohen Dichten liefern.
Das Objekt wurde mit dem MeerKAT-Radioteleskop entdeckt, das aus 64 Antennen besteht und sich am Nordkap in Südafrika befindet. Der dichte stellare Überrest umkreist einen sich schnell drehenden Neutronenstern oder „Millisekunden-Pulsar“, der sich in einer Entfernung von etwa 40.000 Lichtjahren in einem dichten Sternhaufen in der Milchstraße befindet, der „Kugelsternhaufen“ genannt wird.
Ein System mit zwei Neutronensternen wäre zwar faszinierend, aber wenn es sich bei dem geheimnisvollen Objekt um ein Schwarzes Loch handelt, würde dies das System zu einem unglaublich begehrten binären System aus Radiopulsar und Schwarzem Loch machen. Dank der hochgradig periodischen Ausbrüche des Pulsars, die als Zeitmessungsmechanismus genutzt werden können, und des intensiven Gravitationseinflusses des Schwarzen Lochs könnte ein solches System entscheidend sein, um die Grenzen von Einsteins Gravitationstheorie aus dem Jahr 1915, der sogenannten allgemeinen Relativitätstheorie, zu testen.
Der Pulsar, bekannt als PSR J0514-4002E, wurde durch die schwachen Pulse von Radiowellen entdeckt, die er aussendet, während er über die Erde hinwegfegt.
Da sich der Neutronenstern wie ein kosmischer Leuchtturm 170 Mal pro Sekunde dreht, konnten die Forscher anhand der leichten Veränderungen in den sehr regelmäßigen Impulsen feststellen, dass PSR J0514-4002E von einem Objekt umkreist wird, das unglaublich dicht ist, was bedeutet, dass es sich nur um den Überrest eines massiven kollabierten Sterns handeln kann.
Das Team entdeckte, dass der Pulsar und das mysteriöse Objekt 8 Millionen Kilometer voneinander entfernt sind, was etwa dem 0,05-fachen der Entfernung zwischen der Erde und der Sonne entspricht, und sich alle sieben Erdtage einmal umkreisen.
Inhaltsübersicht
Schwarze Löcher und Neutronensterne: Erkennen Sie den Unterschied
Sowohl Neutronensterne als auch Schwarze Löcher entstehen, wenn massereiche Sterne keinen Brennstoff mehr für die Kernfusion haben und sich nicht mehr gegen den inneren Druck ihrer eigenen Schwerkraft abstützen können. Der Kern des Sterns kollabiert, während die äußeren Schichten des sterbenden Sterns in einer Supernovaexplosion weggesprengt werden.
Am unteren Ende der Massenskala wird der Kollaps des Sternkerns durch die Quanteneigenschaften des Neutronenmeeres, aus dem er nun besteht, aufgehalten, und er wird zu einem Neutronenstern, einem stellaren Überrest mit der ein- bis zweifachen Masse der Sonne und der Breite einer Stadt hier auf der Erde, also etwa 20 km.Oberhalb einer bestimmten Masse wird jedoch der Quantendruck, der die Neutronen getrennt hält, überwunden, und der Kern kollabiert vollständig und wird zu einem Schwarzen Loch. Ein Neutronenstern kann diese Grenze auch überschreiten und zu einem Schwarzen Loch kollabieren, wenn er einen Begleitstern hat, dem er Material entziehen kann, um seine eigene Masse zu erhöhen.
Astronomen gehen davon aus, dass ein Sternkern, der nach dem Verlust seiner äußeren Schichten und des größten Teils seiner Masse immer noch eine Masse von mehr als dem 2,2-fachen der Sonnenmasse hat, schwer genug ist, um ein Schwarzes Loch zu bilden.
Das Problem dabei ist, dass die leichtesten Schwarzen Löcher, die wir bisher gesehen haben, immer noch etwa die 5-fache Sonnenmasse haben. Die Tatsache, dass es keine schwarzen Löcher zwischen 5 Sonnenmassen und 2,2 Sonnenmassen gibt, ist als „Massenlücke bei schwarzen Löchern“ bekannt geworden und lässt Zweifel an der 2,2-Sonnenmassengrenze für Neutronensterne aufkommen.
Eine Illustration des Systems unter der Annahme, dass das Objekt darin ein schwarzes Loch ist (Bildnachweis: Daniëlle Futselaar)
Schließen der Massenlücke des Schwarzen Lochs
Stappers und Kollegen entdeckten das Objekt, das der Schlüssel zur Lösung dieses Rätsels und zur Schließung der Massenlücke sein könnte, als sie MeerKat zur Untersuchung des Kugelsternhaufens NGC 1851 im südlichen Sternbild Columba einsetzten.
Die Sterne in diesem uralten Sternhaufen sind enger miteinander verbunden als die Sterne im Rest der Milchstraße. Die Sterne in NGC 1851 stehen so dicht beieinander, dass sie miteinander interagieren, ihre Bahnen stören und in extremen Fällen sogar zusammenstoßen.
Das Team glaubt, dass eine solche Kollision zwischen zwei Neutronensternen das mysteriöse Objekt hervorgebracht haben könnte, das sie in der Umlaufbahn des Pulsars PSR J0514-4002E entdeckt haben.
Das Team kann noch nicht feststellen, ob es sich bei dem Begleiter von PSR J0514-4002E um einen Neutronenstern, ein Schwarzes Loch oder sogar um ein bisher unbekanntes dichtes kosmisches Objekt handelt, aber sie wissen, dass dieses System zu einem einzigartigen kosmischen Labor werden könnte, um das Verhalten von Materie und Physik unter extremen Bedingungen zu untersuchen.
„Wir sind mit diesem System noch nicht fertig“, schloss Dutta. „Die Aufdeckung der wahren Natur des Begleiters wird ein Wendepunkt in unserem Verständnis von Neutronensternen, Schwarzen Löchern und allem, was sonst noch in der Massenlücke des Schwarzen Lochs lauern könnte, sein.“
Die Forschungsergebnisse des Teams wurden am Donnerstag (18. Januar) in der Zeitschrift Science veröffentlicht.
