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NASA-Mission ermöglicht genaue Messungen von Neutronensternen

13.12.2019

Diese Meldung basiert auf einer Pressemitteilung der Technischen Universität Darmstadt

Durch Beobachtungen der NASA-Mission "Neutron star Interior Composition Explorer" (NICER) haben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler eine neue Stufe im Verständnis von Pulsaren, also ultradichten Überbleibseln explodierter Sterne, erreicht. NICER ist ein Röntgeninstrument an Bord der internationalen Raumstation und hat nun erstmals präzise und verlässliche Größen- und Massenmessungen von Pulsaren ermöglicht. An der Forschung ist auch das ExtreMe Matter Institute EMMI von GSI und TU Darmstadt beteiligt.

Der vermessene Pulsar J0030+0451 (oder J0030 in Kurzform) befindet sich in einer isolierten Weltraumregion, etwa 1.100 Lichtjahre entfernt im Sternbild Fische. Die Resultate der neuen Messungen offenbaren, dass die Form und Orte von sogenannten hot spots, Millionen Grad heißer Regionen auf der Oberfläche des Pulsars, viel komplexer sind als erwartet. „Von seiner Position auf der Raumstation aus revolutioniert NICER gerade unser Verständnis von Pulsaren“, so Paul Hertz, Direktor der Abteilung für Astrophysik am NASA-Hauptquartier in Washington. „Pulsare wurden vor mehr als 50 Jahren entdeckt als Leuchtfeuer von Sternen, die zu dichten Kernen kollabiert sind, und verhalten sich komplett anders als alles, was wir auf der Erde sehen. Dank NICER können wir die Natur und Eigenschaften dieser ultradichten Überbleibsel auf eine Weise studieren, die bis jetzt unmöglich schien”, so Hertz.

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler von TU Darmstadt und EMMI haben wesentlich dazu beigetragen, die Bedeutung der NICER-Messungen für die Zustandsgleichung dichter Materie zu verstehen. In einer Reihe von Publikationen, erschienen in einer Sonderausgabe des Journals „The Astrophysical Journal Letters", wurden die neuen Messungen von J0030 analysiert und sind nun online zugänglich.

Wie funktionieren Pulsare?

Wenn ein schwerer Stern stirbt, geht dessen Brennstoff zur Neige, er kollabiert unter seinem eigenen Gewicht und explodiert schließlich als eine Supernova. Relikte solcher Sternexplosionen sind Neutronensterne, die mehr Masse beinhalten als unsere Sonne, konzentriert in einer Kugel von etwa der Dimension des Großraums Darmstadt. Pulsare sind eine besondere Klasse von Neutronensternen, welche sich hunderte Male pro Sekunde drehen und bei jeder Rotation einen Energiestrahl Richtung Erde senden. J0030 im Besonderen rotiert 205 Mal pro Sekunde.

Seit Jahrzehnten versuchen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler herauszufinden, wie Pulsare funktionieren. Im einfachsten Modell hat ein Pulsar ein starkes Magnetfeld, das ähnlich wie das Magnetfeld unserer Erde aufgebaut ist. Das Feld ist aber so stark, dass es Teilchen von der Oberfläche des Pulsars reißt und sie beschleunigt. Einige Teilchen folgen dem Magnetfeld und treffen auf die gegenüberliegende Seite, erwärmen die Oberfläche und erzeugen sogenannte hot spots an den Magnetpolen. Der ganze Pulsar leuchtet schwach im Röntgenspektrum, während die hot spots heller erscheinen. Während sich das Objekt dreht, leuchten diese Bereiche von der Erde aus betrachtet wie die Strahlen eines Leuchtturms und erzeugen extrem regelmäßige Schwankungen der Röntgenhelligkeit des Objekts. NICER misst die Ankunft jedes Röntgenbildes von einem Pulsar auf besser als hundert Nanosekunden – eine Präzision, die etwa 20-mal höher ist als bisher, so dass Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler diesen Effekt zum ersten Mal nutzen können.

Modellierung durch zwei Teams

Unter Verwendung von den Beobachtungen der NICER-Mission von Juli 2017 bis Dezember 2018 erstellten zwei Gruppen von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern Modelle für die hot spots von J0030 mit unabhängigen Methoden und gelangten zu ähnlichen Ergebnissen für die Masse und den Durchmesser des Pulsars. Ein Team unter der Leitung der Universität Amsterdam stellte fest, dass der Pulsar eine Masse von etwa dem 1,3-fachen der Sonnenmasse und einen Durchmesser von etwa 25,4 Kilometer aufweist. Ein zweites Team fand heraus, dass J0030 etwa das 1,4-fache der Sonnenmasse wiegt und etwas größer ist, etwa 26 Kilometer.

„Es ist bemerkenswert und auch sehr beruhigend, dass die beiden Teams für J0030 mit unterschiedlichen Modellannahmen so ähnliche Größen, Massen und Hot-Spot-Muster erreicht haben“, sagte Zaven Arzoumanian, wissenschaftlicher Leiter von NICER im NASA Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland. „Es sagt uns, dass NICER auf dem richtigen Weg ist, uns bei der Beantwortung einer großen Frage in der Astrophysik zu helfen. Welche Form nimmt die Materie in den ultradichten Kernen von Neutronensternen an?“

Blick auf dichte Materie

Zusammen mit der NICER-Kollaboration untersuchten Svenja Greif, Kai Hebeler und EMMI-Professor Achim Schwenk von der TU Darmstadt die Auswirkungen dieser neuen Messungen auf die Eigenschaften der dichten Materie im Innern von Neutronensternen. „Es ist spannend zu sehen, dass die neuen NICER-Ergebnisse mit unserem Verständnis von starken Wechselwirkungen in Atomkernen übereinstimmen“, sagt Svenja Greif, deren jüngste Doktorarbeit im Rahmen des von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderten Sonderforschungsbereichs 1245 zu Kernstrukturphysik und nuklearer Astrophysik den Grundstein für die Modellierung der dichten Materie legte. Präzisere Messungen der NICER-Mission in Kombination mit verbesserten mikroskopischen Berechnungen versprechen daher in Zukunft ein deutlich besseres Verständnis der dichtesten Materie im Universum. (CP)

Weitere Informationen:

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NICER-Messinstrument
NASAs Neutron star Interior Composition Explorer (NICER) ist ein Messinstrument für Röntgenstrahlung an Bord der Internationalen Raumstation ISS.
Foto: NASA

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