(main) eine Illustration eines Neutronensterns (inset) Radiobild des S-förmigen Präzessionsstrahls, der von dem Neutronenstern in Circinus X-1 ausgestoßen wird.(Bildnachweis: Fraser Cowie)
Astronomen haben zum ersten Mal einen seltsamen S-förmigen Strahl abgebildet, der von einem Neutronenstern ausgeht. Die seltsame Emission deutet darauf hin, dass dieser tote Stern der Form von Wasser ähnelt, das aus einem Gartensprinkler spritzt.
Der fragliche „kosmische Rasensprenger“ ist ein Neutronenstern im Doppelsternsystem Circinus X-1, das mehr als 30.000 Lichtjahre von der Erde entfernt ist. Er entstand, als ein Stern, der mindestens achtmal so groß wie die Sonne war, in einer Supernova-Explosion starb, deren Licht die Erde vor fast 5.000 Jahren, etwa zur Zeit der Errichtung von Stonehenge, erreicht haben dürfte.
Der Neutronenstern ernährt sich wie ein kosmischer Vampir von einem Begleitstern, aus dem hochenergetische Strahlen ausbrechen. Diese Jets haben eine S-förmige Form, da der tote Vampirstern während des Fressens wie ein Kreisel wackelt oder sich „vorwärts bewegt“. Das Forschungsteam hofft, dass diese erstmalige Beobachtung dazu beitragen könnte, die extreme Physik um Neutronensterne besser zu verstehen, die sonst nirgendwo im Kosmos zu finden sind.
Der S-förmige Jet wurde von Astronomen der Universität Oxford mit dem MeerKAT-Radioteleskop in Südafrika entdeckt. Die gesammelten Daten wurden verwendet, um die bisher detailliertesten und hochauflösendsten Bilder von Circinus X-1 zu erstellen.
„Dieses Bild ist das erste Mal, dass wir starke Beweise für einen Präzessionsjet eines bestätigten Neutronensterns gesehen haben“, sagte Teamleiter Fraser Cowie, ein Forscher in Oxford, in einer Erklärung. „Dieser Beweis kommt sowohl von der symmetrischen S-Form des radioemittierenden Plasmas in den Jets als auch von der schnellen, breiten Schockwelle, die nur durch einen Jet erzeugt werden kann, der seine Richtung ändert.
„Dies wird wertvolle Informationen über die extreme Physik hinter dem Start des Jets liefern, ein Phänomen, das immer noch nicht gut verstanden wird.“
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Cowie3 Bewegte Stöße Cir X 1 – YouTube
Eine Illustration eines Neutronensterns im Vergleich zu Manhattan Island. (Bildnachweis: NASA’s Goddard Space Flight Center)
Das vom Spenderstern abgestreifte Material kann jedoch nicht direkt auf den Neutronenstern fallen, da es noch einen Drehimpuls hat. Stattdessen bildet es eine abgeflachte Wolke um den toten Stern, die ihn allmählich ernährt, eine so genannte Akkretionsscheibe.
Die unglaubliche Dichte von Neutronensternen bedeutet, dass beim Auftreffen dieses gestohlenen Materials auf ihre Oberfläche eine enorme Energiemenge freigesetzt wird. In nur einer Sekunde kann ein fütternder Neutronenstern die gleiche Energiemenge freisetzen, die die Sonne im Laufe von einer Million Jahren freisetzen wird.
Ein Teil dieser Energie wird in Materialstrahlen umgewandelt, die den Neutronenstern mit einer Geschwindigkeit verlassen, die einem erheblichen Bruchteil der Lichtgeschwindigkeit entspricht.
Bilder des Neutronensterns in Circinus X-1, die zeigen, wie seine Eruption verlief und zur Emission von S-förmigen Jets führte. (Bildnachweis: Fraser Cowie)
Beobachtungen von Circinus X-1 im Jahr 2007 zeigten, dass das System besonders hell im Röntgenlicht ist und die Art von Jets aussendet, die normalerweise mit Schwarzen Löchern in Verbindung gebracht werden. Dies war das erste Mal, dass ein solcher Jet von einem Neutronensternsystem ausging, das eine solche Ähnlichkeit mit Schwarzen Löchern aufweist.
Damit wurde Circinus X-1 zu einem eigenartigen System, das sich der herkömmlichen Klassifizierung entzieht. Daher ist es für Astronomen von großem Interesse, die es nutzen, um ihr Wissen über Akkretionsprozesse, Jets selbst und sogar die Wechselwirkungen dieser Jets mit dem umgebenden Material zu testen.
Daher richtete das Team der neuen Studie das kürzlich aufgerüstete MeerKAT-Radioteleskop auf Circinus X-1, in der Hoffnung, dass dessen Empfindlichkeit mehr Informationen über dieses faszinierende System liefern könnte. Sie erzielten dann hochauflösende Bilder, die deutliche Hinweise auf eine S-förmige Struktur im Jet von Circinus X-1 zeigen.
Das Team glaubt, dass diese Jets eine einzigartige Form haben könnten, weil der Neutronenstern an der Quelle wie ein Kreisel „wackelt“, wenn er langsamer wird. „Diese Schockwellen überspannen einen weiten Winkel, was mit unserem Modell übereinstimmt“, sagte Cowie. „Wir haben also zwei starke Indizien, die uns sagen, dass der Neutronenstern-Jet eine Präzessionsbewegung durchläuft.“
Cowie und seine Kollegen entdeckten auch Schockwellen, so genannte „Terminationsschocks“, die durch das umgebende Material laufen, wenn die Jets des Neutronensterns in dieses einschlagen. Dies ist das erste Mal, dass eine solche Beobachtung bei einem Doppelsternsystem wie diesem gemacht wurde.
Der entscheidende Hinweis darauf, dass die Schockwellen von den Düsen erzeugt werden, ist die Tatsache, dass sie sich mit etwa 10 % der Lichtgeschwindigkeit bewegen. Diese extrem hohe Geschwindigkeit kann nur durch solche hochenergetischen Jets erreicht werden. Die Schockwellen können tatsächlich als „kosmische Teilchenbeschleuniger“ wirken und Ströme hochenergetischer Teilchen erzeugen, die als „kosmische Strahlen“ bezeichnet werden.
Weitere Untersuchungen der Geschwindigkeit der Schockwellen könnten Aufschluss darüber geben, woraus die Jets bestehen, die sie erzeugt haben.
„Circinus X-1 ist eines der hellsten Objekte am Röntgenhimmel und wird seit über einem halben Jahrhundert untersucht“, so Cowie. „Trotzdem bleibt es eines der rätselhaftesten Systeme, die wir kennen. Mehrere Aspekte seines Verhaltens sind nicht gut erklärt, daher ist es sehr lohnend, dazu beizutragen, neues Licht auf dieses System zu werfen, indem wir auf 50 Jahre Arbeit anderer aufbauen.“
Der nächste Schritt für das Team wird darin bestehen, den Strahl zu beobachten, um festzustellen, ob er sich im Laufe der Zeit wie vorhergesagt verändert oder ob dieses System noch weitere Überraschungen bereithält. „Dies wird es uns ermöglichen, die Eigenschaften des Jets genauer zu messen und mehr über dieses rätselhafte Objekt zu erfahren“, so Cowie, der diese Ergebnisse am Montag (16. Juli) auf dem National Astronomy Meeting 2024 der Royal Astronomical Society an der Universität Hull vorstellte.
