Das hellste Gammastrahlen-Binärsystem unserer Galaxie wird möglicherweise von einem Magnetstern angetrieben.

0

Ein Forscherteam unter der Leitung von Mitgliedern des Kavli-Instituts für Physik und Mathematik des Universums (Kavli IPMU) hat zuvor gesammelte Daten analysiert, um auf die wahre Natur eines kompakten Objekts zu schließen, bei dem es sich um einen rotierenden Magnetar handelt, eine Art Neutronenstern mit einem extrem starken Magnetfeld – er umkreist LS 5039, das hellste Gammastrahlen-Binärsystem in der Galaxie.

Das Team, zu dem auch der ehemalige Doktorand Hiroki Yoneda, der leitende Wissenschaftler Kazuo Makishima und der Principal Investigator Tadayuki Takahashi von der Kavli IMPU gehören, vermutet außerdem, dass der Teilchenbeschleunigungsprozess, von dem bekannt ist, dass er in LS 5039 stattfindet, durch Wechselwirkungen zwischen den dichten Sternwinden seines massereichen Primärsterns und den ultrastarken Magnetfeldern des rotierenden Magnetars verursacht wird.

Gammastrahlen-Binärsterne sind ein System aus massereichen, hochenergetischen Sternen und kompakten Sternen. Sie wurden erst vor kurzem, im Jahr 2004, entdeckt, als Beobachtungen von sehr hochenergetischen Gammastrahlen im Teraelektronenvolt (TeV)-Band aus ausreichend großen Regionen des Himmels möglich wurden. Bei Betrachtung mit sichtbarem Licht erscheinen Gammastrahlen-Binärsterne als helle, bläulich-weiße Sterne und sind von jedem anderen Doppelsternsystem, das einen massereichen Stern beherbergt, nicht zu unterscheiden. Wenn sie jedoch mit Röntgen- und Gammastrahlen beobachtet werden, unterscheiden sich ihre Eigenschaften dramatisch von denen anderer Doppelsterne. In diesen Energiebändern sind gewöhnliche Doppelsternsysteme völlig unsichtbar, aber Gammastrahlungs-Binärsysteme erzeugen intensive nichtthermische Emission, und ihre Intensität scheint entsprechend ihrer Umlaufzeiten von einigen Tagen bis zu mehreren Jahren zu- und abzunehmen.

Nachdem sich die Gammastrahlen-Binärsysteme als eine neue astrophysikalische Klasse etabliert hatten, wurde schnell erkannt, dass in ihnen ein äußerst effizienter Beschleunigungsmechanismus arbeiten sollte. Während die Beschleunigung von TeV-Teilchen in Supernova-Überresten, die berühmte kosmische Beschleuniger sind, Dutzende von Jahren erfordert, erhöhen Gammastrahlen-Binärteilchen die Elektronenenergie in nur wenigen zehn Sekunden auf über 1 TeV. Gammastrahlen-Binäre können daher als einer der effizientesten Teilchenbeschleuniger im Universum angesehen werden.

Darüber hinaus ist bekannt, dass einige Gammastrahlen-Binäre starke Gammastrahlen mit Energien von mehreren Megaelektronenvolt (MeV) emittieren. Gammastrahlen in diesem Band sind derzeit schwer zu beobachten; sie wurden von nur etwa 30 Himmelskörpern am gesamten Himmel nachgewiesen. Aber die Tatsache, dass solche Doppelsterne selbst in diesem Energieband starke Strahlung aussenden, erhöht das Rätsel um sie und deutet auf einen äußerst effektiven Teilchenbeschleunigungsprozess hin, der in ihnen abläuft.

Bislang wurden in der Galaxie etwa 10 Gammastrahlen-Binärteilchen gefunden – im Vergleich zu mehr als 300 Röntgen-Binärteilchen, von denen bekannt ist, dass sie existieren. Warum Gammastrahlen-Binärteilchen so selten sind, ist unbekannt, und in der Tat war die wahre Natur ihres Beschleunigungsmechanismus bis jetzt ein Rätsel.

Durch frühere Studien war bereits klar, dass ein Gammastrahlen-Binär im Allgemeinen aus einem massereichen Primärstern besteht, der 20 bis 30 Mal die Masse der Sonne wiegt, und einem Begleitstern, der ein kompakter Stern sein muss, aber es war in vielen Fällen nicht klar, ob der kompakte Stern ein Schwarzes Loch oder ein Neutronenstern ist. Das Forschungsteam begann seinen Versuch, indem es herausfand, was im Allgemeinen der Fall ist.

Einer der direktesten Beweise für das Vorhandensein eines Neutronensterns ist der Nachweis von periodischen schnellen Pulsationen, die mit der Rotation des Neutronensterns zusammenhängen. Der Nachweis solcher Pulsationen von einem Gammastrahlen-Binärstern verwirft das Schwarze-Loch-Szenario fast zweifelsfrei.

In diesem Projekt konzentrierte sich das Team auf LS 5039, das 2005 entdeckt wurde, und behielt seine Position als das hellste Gammastrahlen-Binär im Röntgen- und Gammastrahlenbereich bei. Tatsächlich ging man davon aus, dass dieses Gammastrahlenbinär einen Neutronenstern wegen seiner stabilen Röntgen- und TeV-Gammastrahlung enthält. Bisher wurden jedoch Versuche zur Detektion solcher Pulse mit Radiowellen und weicher Röntgenstrahlung durchgeführt – und da Radiowellen und weiche Röntgenstrahlung durch die Sternwinde des Primärsterns beeinflusst werden, war die Detektion solcher periodischer Pulse nicht erfolgreich.

Dieses Mal konzentrierte sich das Team zum ersten Mal auf das harte Röntgenband (>10 keV) und die Beobachtungsdaten von LS 5039, die mit dem Detektor für harte Röntgenstrahlen (HXD) an Bord der weltraumgestützten Teleskope Suzaku (zwischen dem 9. und 15. September 2007) und NuSTAR (zwischen dem 1. und 5. September 2016) gesammelt wurden – denn die sechstägige Suzaku-Beobachtungszeit war die bisher längste mit harter Röntgenstrahlung.

Beide Beobachtungen lagen zwar neun Jahre auseinander, lieferten aber den Beweis für einen Neutronenstern im Kern von LS 5039: das periodische Signal von Suzaku mit einer Periode von etwa 9 Sekunden. Die Wahrscheinlichkeit, dass dieses Signal durch statistische Fluktuationen entsteht, beträgt nur 0,1 Prozent. Auch NuSTAR zeigte ein sehr ähnliches Pulssignal, obwohl die Pulssignifikanz geringer war – die NuSTAR-Daten beispielsweise waren nur vorläufig. Aus der Kombination dieser Ergebnisse wurde auch gefolgert, dass die Spinperiode jedes Jahr um 0,001 s zunimmt.

Auf der Grundlage der abgeleiteten Spin-Periode und der Rate ihres Anstiegs hat das Team

Share.

Leave A Reply