Stellar Science

Die Natur beweist, dass die Wahrheit immer noch seltsamer ist als die Fiktion: Ein Pulsar hat energiereiche Teilchen in einer dünnen, geraden Linie geschossen, die sich Lichtjahre in den Weltraum erstreckt. Die Entdeckung könnte erklären, wie Antimaterie ihren Weg zur Erde findet.

Dieses Bild mit einem Durchmesser von 2,7 Lichtjahren zeigt den ersten Teil der „Phaser-Explosion“ des Pulsars. Zusätzliche Beobachtungen zeigten sein wahres Ausmaß. Der Pulsar, sein Partikelwind und sein Jet leuchten alle in Röntgenstrahlen (blau). Die Umgebung und der Bugstoß des Pulsars werden ebenfalls im sichtbaren Licht (rot) abgebildet.Röntgen: NASA / CXC / Stanford Univ. / M. de Vries; Optisch: NSF/AURA/Gemini-Konsortium

Star Trek kann seine Strahlenkanonen behalten – Pulsare erzeugen weitaus stärkere Strahlen.

Zerkleinerte Sternkerne, die zurückbleiben, wenn ein massereicher Stern zur Supernova wird, gehören zu den Teilchenbeschleunigern der Natur. Obwohl Pulsare nur so groß sind wie Manhattan, können ihre schwindelerregenden Drehungen und starken Magnetfelder Teilchen mit einem erheblichen Bruchteil der Lichtgeschwindigkeit anregen. Außerdem leuchten Pulsare mit hochenergetischer Strahlung, die sich selbst in Elektronenpaare und ihr Antimaterie-Gegenstück, Positronen, umwandeln kann.

Aus diesem Grund verweisen Astronomen oft auf Pulsare als Hauptquelle der auf der Erde nachgewiesenen Antimaterie. Beispielsweise hat das Alpha Magnetic Spectrometer an Bord der Internationalen Raumstation eine überraschende Menge an Positronen nachgewiesen. Aber die gleichen Magnetfelder, die für die Beschleunigung von Teilchen verantwortlich sind, wirken auch, um sie einzusperren, so dass einige vermuten, dass das gefundene überschüssige AMS kein Signal von Pulsaren, sondern von Dunkler Materie sein könnte.

Ein Pulsar zeigt jedoch eine mögliche Möglichkeit für Partikel, ihre Grenzen zu verlassen.

Größenvergleich von Neutronensternen mit BostonEin Neutronenstern ist das dichteste Objekt, das Astronomen direkt beobachten können, und zerquetscht eine halbe Million Mal die Masse der Erde in eine Kugel mit einem Durchmesser von etwa 12 Meilen. Diese Abbildung vergleicht die Größe eines Neutronensterns mit der Gegend um Boston. Das Goddard Space Flight Center der NASA

PSR J2030+4415 ist ein stadtgroßer Kern, der dreimal pro Sekunde herumwirbelt, 1.630 Lichtjahre entfernt in Cygnus, dem Schwan. Im Jahr 2020 beobachteten Martijn de Vries und Roger Romani (beide an der Stanford University) diesen Pulsar mit dem Chandra-Röntgenobservatorium. Zusätzlich zum Pulsar selbst und den leuchtenden Partikeln um ihn herum sahen sie eine dünne, gerade Linie aus Röntgenstrahlung, die mit dem Pulsar verbunden war.

Pulsar-NahaufnahmeDiese Nahaufnahme des Pulsars zeigt das Röntgenstrahlenglühen (blau) des Objekts und der energiereichen Teilchen um es herum. Der Pulsar hat kürzlich den Bugstoß durchbrochen, der im sichtbaren Licht (rot) als Halbkreis aus ionisiertem Wasserstoff zu sehen ist. Röntgen: NASA / CXC / Stanford Univ. / M. de Vries; Optisch: NSF/AURA/Gemini-Konsortium

Der Strahl verlässt den Rand des Entdeckungsbildes in einer himmlischen Version von Harolds violettem Buntstift. Also baten De Vries und Romani Chandra, für zusätzliche Beobachtungen zurückzukehren, um die wahre Ausdehnung des Strahls zu bestimmen (mehr Seiten für Harold), und fanden heraus, dass er sich 15 Bogenminuten über den Himmel erstreckt, oder 7 Lichtjahre lang.

„Es ist erstaunlich, dass ein Pulsar mit einem Durchmesser von nur 10 Meilen eine Struktur schaffen kann, die so groß ist, dass wir sie aus Tausenden von Lichtjahren Entfernung sehen können“, sagt de Vries. „Wenn sich das Filament bei gleicher relativer Größe von New York bis Los Angeles erstrecken würde, wäre der Pulsar etwa 100-mal kleiner als das kleinste mit bloßem Auge sichtbare Objekt.“

Pulsar, umgeben von Partikelwind und langem PartikelstrahlDieses breitere Sichtfeld zeigt das volle Ausmaß des Teilchenstrahls: 7 Lichtjahre lang. (Der weiße Kasten zeigt das Sichtfeld des ersten Bildes oben.) Röntgen: NASA / CXC / Stanford Univ. / M. de Vries

Das Team erhielt auch Bilder im sichtbaren Licht mit dem Gemini-Teleskop auf dem Mauna Kea in Hawaii. Die Bilder zeigen Wasserstoff-Alpha-Licht, das von Wasserstoffatomen emittiert wird, die durch die Energie des Pulsars ionisiert wurden.

Zusammen erzählen die Emissionen des sichtbaren Lichts und der Röntgenstrahlung aus dem Gas und den Partikeln um den Pulsar herum die Entstehungsgeschichte des Strahls. Bis vor etwa 20 bis 30 Jahren raste der Sternkern durch den Weltraum, dem ein Bugstoß vorausging (wie die Bugwelle, die vor einem Motorboot auftaucht). In diesem Moment bremste etwas, vielleicht ein dichteres Medium, den Bugstoß.

„Der Pulsar selbst ist wie eine Kugel, die etwa die 1,5-fache Masse der Sonne wiegt“, erklärt Romani, „also hat er die Zunahme der Dichte überhaupt nicht gespürt. Es holte den blockierten Bugstoßdämpfer ein, schlug durch und ging weiter.“

Der Durchbruch richtete die Magnetfeldlinien des Pulsars kurzzeitig mit denen der größeren Galaxie aus, wodurch ein dünner Partikelfaden aus den Fängen des Pulsars entweichen konnte. Da der Durchbruch in einem astronomischen Augenblick stattfand (ungefähr 12 Jahre, schätzen die Forscher), beleuchten die Teilchen im Wesentlichen eine der Magnetfeldlinien der Galaxie.

„Diese Entdeckung hat auch weitreichendere Auswirkungen darauf, wie Elektronen und Positronen ihren Elternpulsaren entkommen können“, sagt die Astrophysikerin Kaya Mori (Columbia University), die nicht an der Studie beteiligt war. „Der rätselhafte Ursprung des auf der Erde beobachteten Positronenüberschusses könnte mit PSR J2030+4415 und anderen noch zu entdeckenden Pulsarfilamenten in Verbindung gebracht werden.“

Ereignisse wie dieses könnten helfen zu erklären, wie Antimaterie entweichen und sich in der Galaxie ausbreiten kann. „Wir können bereits sehen, dass sich die Filamente mit der Entfernung vom Pulsar ausbreiten“, sagt Romani. „Sicherlich sind Pulsare eine prosaischere Erklärung für die AMS-Positronen als die Vernichtung dunkler Materie.“

Zugegeben, Beobachtungen solcher Durchbruchsereignisse sind selten – dies ist erst der vierte Pulsar, von dem bekannt ist, dass er ein langes, schmales Filament produziert hat – aber das kann daran liegen, dass diese Ereignisse so kurz sind. Sie könnten in der Geschichte unserer Galaxie aufgetreten sein.


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