Vulkan

HOUSTON, TX – Am 5. Oktober 2020 änderte die schnell rotierende Leiche eines längst verstorbenen Sterns, etwa 30.000 Lichtjahre von der Erde entfernt, ihre Geschwindigkeit. In einem kosmischen Augenblick verlangsamte sich seine Drehung. Und ein paar Tage später begann es plötzlich, Radiowellen auszusenden.

Dank rechtzeitiger Messungen von spezialisierten Orbitteleskopen konnten der Astrophysiker Matthew Baring von der Rice University und seine Kollegen eine neue Theorie über eine mögliche Ursache für die seltene Verlangsamung oder „Anti-Glitch“ von SGR 1935+2154, einem stark magnetischen Typ, testen Neutronenstern, bekannt als Magnetar.

In einer veröffentlichten Studie In Nature Astronomy verwendeten Baring und Co-Autoren Röntgendaten der X-ray Multi-Mirror Mission (XMM-Newton) der Europäischen Weltraumorganisation und des Neutron Star Interior Composition Explorer (NICER) der NASA, um die Rotation des Magnetars zu analysieren. Sie zeigten, dass die plötzliche Verlangsamung durch einen vulkanähnlichen Bruch auf der Oberfläche des Sterns verursacht worden sein könnte, der einen „Wind“ massiver Teilchen in den Weltraum schleuderte. Die Forschung ergab, wie ein solcher Wind die Magnetfelder des Sterns verändern und Bedingungen schaffen könnte, die wahrscheinlich die Radioemissionen aktivieren würden, die anschließend vom chinesischen Five-hundred-meter Aperture Spherical Telescope (FAST) gemessen wurden.

„Man hat spekuliert, dass Neutronensterne auf ihrer Oberfläche das Äquivalent von Vulkanen haben könnten“, sagte Baring, Professor für Physik und Astronomie. „Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass dies der Fall sein könnte und dass der Bruch in diesem Fall höchstwahrscheinlich am oder in der Nähe des magnetischen Pols des Sterns stattfand.“

SGR 1935+2154 und andere Magnetare sind eine Art Neutronenstern, die kompakten Überreste eines toten Sterns, der unter starker Schwerkraft kollabierte. Etwa zwölf Meilen breit und so dicht wie der Kern eines Atoms, drehen sich Magnetare alle paar Sekunden einmal und weisen die stärksten Magnetfelder im Universum auf.

Magnetare emittieren intensive Strahlung, darunter Röntgenstrahlen und gelegentlich Radiowellen und Gammastrahlen. Astronomen können aus diesen Emissionen viel über die ungewöhnlichen Sterne entschlüsseln. Durch das Zählen von Röntgenimpulsen können Physiker beispielsweise die Rotationsperiode eines Magnetars berechnen oder die Zeitspanne, die für eine vollständige Umdrehung benötigt wird, wie es die Erde an einem Tag tut. Die Rotationsperioden von Magnetaren ändern sich normalerweise langsam und es dauert Zehntausende von Jahren, bis sie sich um eine einzige Rotation pro Sekunde verlangsamen.

Glitches sind abrupte Erhöhungen der Rotationsgeschwindigkeit, die am häufigsten durch plötzliche Veränderungen tief im Inneren des Sterns verursacht werden, sagte Baring.

„Bei den meisten Störungen wird die Pulsationsperiode kürzer, was bedeutet, dass sich der Stern etwas schneller dreht als zuvor“, sagte er. „Die Lehrbucherklärung lautet, dass sich mit der Zeit die äußeren, magnetisierten Schichten des Sterns verlangsamen, der innere, nicht magnetisierte Kern jedoch nicht. Dies führt zu einem Spannungsaufbau an der Grenze zwischen diesen beiden Regionen und zu Störsignalen.“ eine plötzliche Übertragung von Rotationsenergie vom schneller rotierenden Kern auf die langsamer rotierende Kruste.

Abrupte Rotationsverlangsamungen von Magnetaren sind sehr selten. Astronomen haben nur drei der „Anti-Störungen“ aufgezeichnet, darunter das Ereignis im Oktober 2020.

Während Störungen routinemäßig durch Veränderungen im Inneren des Sterns erklärt werden können, ist dies bei Anti-Störungen wahrscheinlich nicht der Fall. Barings Theorie basiert auf der Annahme, dass sie durch Veränderungen auf der Oberfläche des Sterns und im ihn umgebenden Raum verursacht werden. In der neuen Arbeit konstruierten er und seine Co-Autoren ein vulkangetriebenes Windmodell, um die gemessenen Ergebnisse des Anti-Glitchs im Oktober 2020 zu erklären.

Baring sagte, das Modell nutze nur die Standardphysik, insbesondere Änderungen im Drehimpuls und Energieerhaltung, um die Rotationsverlangsamung zu erklären.

„Ein starker, massiver Teilchenwind, der einige Stunden lang vom Stern ausgeht, könnte die Bedingungen für den Rückgang der Rotationsperiode schaffen“, sagte er. „Unsere Berechnungen zeigten, dass ein solcher Wind auch die Kraft hätte, die Geometrie des Magnetfelds außerhalb des Neutronensterns zu verändern.“

Der Bruch könnte eine vulkanähnliche Formation sein, denn „die allgemeinen Eigenschaften der Röntgenpulsation erfordern wahrscheinlich, dass der Wind von einer lokalisierten Region auf der Oberfläche ausgeht“, sagte er.

„Was das Ereignis im Oktober 2020 einzigartig macht, ist, dass es nur wenige Tage nach dem Anti-Glitch einen schnellen Funkausbruch vom Magnetar gab und kurz darauf eine gepulste, kurzlebige Funkemission einsetzte“, sagte er. „Wir haben nur eine Handvoll transient gepulster Radiomagnetare gesehen, und dies ist das erste Mal, dass wir das Funkeinschalten eines Magnetars fast zeitgleich mit einem Anti-Glitch beobachten.“

Baring argumentierte, dass dieser zeitliche Zusammenhang darauf hindeutet, dass die Anti-Glitch- und Funkemissionen durch dasselbe Ereignis verursacht wurden, und er hofft, dass weitere Studien zum Vulkanismusmodell weitere Antworten liefern werden.

„Die Windinterpretation bietet einen Weg zum Verständnis, warum die Radioemission eingeschaltet wird“, sagte er. „Es liefert neue Erkenntnisse, die wir bisher nicht hatten.“

– Diese Pressemitteilung wurde ursprünglich auf der Website der Rice University veröffentlicht