Tanz toter Sterne: Astronomen haben das bisher massereichste Paar von Neutronensternen aufgespürt – und den erst 15. Doppel-Neutronenstern überhaupt. Dieser seltene Fund gelang mit Hilfe des Arecibo-Radioteleskops und des Netzwerks Einstein@Home. Beide Sternenrelikte liegen rund 25.000 Lichtjahre von uns entfernt und umkreisen sich eng. Mindestens einer von ihnen ist zudem ein starker Pulsar, wie die Forscher im „Astrophysical Journal“ berichten.

Ein Neutronenstern ist das Relikt eines massereichen Sterns nach einer Supernova. In ihm ist die Materie in Form von Neutronen so stark komprimiert, dass eine Sonnenmasse in wenige Kilometer Durchmesser passt. Zudem besitzen diese Sternenrelikte stark Magnetfelder und senden stark gebündelte Radiostrahlen aus – sie sind Pulsare. Meist kommen Neutronensterne einzeln vor, seltene in einer Paarung mit anderen Szenen oder Sternenrelikten.

Selten, aber besonders spannnend

Extrem rar aber sind Doppelneutronensterne – Paare aus zwei sich umkreisenden Neutronensternen. Nur 14 solcher Systeme waren bisher bekannt. „Diese seltenen Doppelneutronenstern-Systeme sind einzigartige Laboratorien für Fundamentalphysik, sie ermöglichen Messungen, die in keinem irdischen Laboratorium durchgeführt werden können“, erklärt Bruce Allen vom Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Hannover.

Das Spannende an solchen Paaren: Während sie sich umkreisen, verlieren sie Energie in Form von Gravitationswellen – und nach diesen sucht man bereits. Die Kollision von Neutronensternen in solchen Paaren wiederum gilt schon länger als mögliche Ursache für Gammastrahlen-Ausbrüche, außerdem könnte das Element Gold aus solchen Kollisionen stammen.

Umlaufbahnen des Doppelneutronenstern-Systems PSR J1913+1102. Im Vergleich dazu die Größe der Sonne. © Paulo Freire/ MPIfR

Schwerer als jedes andere Paar

Jetzt haben Allen und seine Kollegen ein 15. Neutronensternpaar entdeckt – und dieses ist noch dazu rekordträchtig. Denn die beiden Sternenrelikte haben eine Gesamtmasse von 2,88 Sonnenmassen – so viel wie kein anderes bekanntes Doppelneutronenstern-System. Das Rekordpaar PSR J1913+1102 liegt rund 25.000 Lichtjahre von der Erde entfernt. Beide Neutronensterne umkreisen sich in knapp fünf Stunden auf einem leicht elliptischen Orbit.

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Auf einem Durchmesser von lediglich 20 Kilometern vereint jeder der beiden Partner mehr Masse als unsere Sonne. Mindestens einer der beiden Neutronensterne ist zudem ein starker Radiopulsar, wie die Astronomen berichten. Ob auch der Partner ein Pulsar ist, ist noch unklar. Denn von ihm lässt sich zwar keine Radiostrahlung nachweisen, aber es wäre aber möglich, dass der gebündelte Strahl einfach nur nicht die Erde trifft.

Citizen Science half bei Entdeckung

Der starke Radiostrahl des einen Partners reichte jedoch aus, um zur Entdeckung des Systems zu führen. Denn das Radiosignal des Neutronensterns wurde vom Arecibo-Radioteleskop in Puerto-Rico aufgefangen. Dessen Daten werden im Projekt Einstein@Home auf den vernetzen Rechnern, Laptops und Smartphones von mehr als 40.000 Mitwirkenden analysiert. Die gesamte Computerleistung dieses Citizen Science-Projekts entspricht 1,7 Petaflops pro Sekunde und macht es zu einem der 60 leistungsfähigsten Supercomputer weltweit.

Der Pulsar PSR J1913+1102 wurde im Rahmen des “Einstein@Home”-Projekts entdeckt. Das Signal wurde durch die Computer von zwei Teilnehmern identifiziert, Uwe Tittmar aus Deutschland und Gerald Schrader aus den USA. © MPI für Gravitationsphysik/ B. Knispel, NASA

Die Auswertung mit Hilfe des Einstein@Home-Netzerks ermöglichte nicht nur die Entdeckung des ungewöhnlichen Neutronenstern-Paares, es verrät auch einiges über ihre „Paarbeziehung“: So verrät eine ganz leichte Verlangsamung der Rotation, dass das Magnetfeld des Pulsars einige Milliarden mal stärker ist als das unserer Erde. Das ist zwar viel, aber für einen Neutronenstern ein relativ schwacher Wert, wie die Forscher erklären. Sie schließen daraus, dass der Pulsar früher einmal seinem Partner Materie geklaut haben muss.

Einsteins Theorien in Aktion

Auch eine direkte Auswirkung von Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie haben die Astronomen in diesem Doppelsternsystem bereits nachgewiesen. Denn die elliptische Bahn der Objekte eiert im Laufe der Zeit um den gemeinsamen Massenschwerpunkt – ähnlich wie der Merkur um die Sonne eiert.

Einstein erkannte als erster, dass dieser Effekt, relativistische Periastron-Verschiebung genannt, umso schneller abläuft, je massereicher ein System ist. Und tatsächlich verschieben sich die Orbits von PSR J1913+1102 um 5,6 Grad pro Jahr, wie die Forscher beobachteten. Das ist 47.000 Mal schneller als beim viel leichteren System Merkur-Sonne, denn die Umlaufbahn des Merkur rotiert nur um 0,0001 Grad pro Jahr.

Quelle von Gravitationswellen

Und noch eine Vorhersage von Einstein könnten die beiden Neutronensterne beweisen: die von solchen Systemen ausgehenden Gravitationswellen. Schon während sie sich umkreisen, verursachen solche Massegiganten solche Raumzeit-Rippel. Noch stärker aber werden die Erschütterungen der Raumzeit, wenn sie kollidieren. Forscher der LIGO-Kollaboration hoffen, zukünftig auch solche von Neutronensternen stammenden Gravitationswellen schon in den nächsten Monaten detektieren zu können.

„Das Aufspüren von Doppelneutronen-Sternsystemen ähnlich wie J1913+1102 ist wichtig für die Forschung im Bereich der Gravitationswellen“, erklärt Michael Kramer vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn. „Es hilft uns, besser zu verstehen, in welchem Zeitrahmen solche Systeme miteinander verschmelzen und damit herauszufinden, wie oft Signale von kollidierenden Neutronensternen in Zukunft mit Advanced LIGO entdeckt werden können.“ (The Astrophysical Journal, 2016; doi: 10.3847/0004-637X/831/2/150)

9. Dezember 2016