Quelle: MPE 2. Mai 2024.

2. Mai 2024 – Jüngste Fortschritte in der Radioastronomie haben zur Entdeckung von schwachen Radioquellen geführt, den so genannten Odd Radio Circles (ORCs). Diese neue Kategorie extragalaktischer Quellen zeichnet sich durch ihre einzigartige Morphologie aus, eine ringförmige Emission mit besonders hellen und klumpigen Rändern sowie helle und unregelmäßige Emissionsspitzen im Zentrum. Der Kleeblatt-ORC ist ziemlich nah – sein Licht musste „nur“ etwa 600 Millionen Jahre reisen, um uns zu erreichen (Rotverschiebung 0,046). Erste Beobachtungen deuteten auf eine mögliche Verbindung mit einer elliptischen Zentralgalaxie hin.

Eine bahnbrechende Studie unter der Leitung des Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik (MPE) hat den Kleeblatt-ORC nun mit dem XMM-Newton-Observatorium ins Visier genommen. Die intensive Analyse des Teams hat zu unerwarteten Ergebnissen geführt. „Auch wenn die Quelle in den Daten des Röntgenteleskops eROSITA nur schwach zu erkennen ist, wollten wir uns dieses faszinierende System genauer ansehen und hatten das Glück, die nötige Teleskopzeit zu erhalten“, erläutert Esra Bulbul, die die Gruppe am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik (MPE) leitet. „Zu unserer Überraschung ist die von uns entdeckte ausgedehnte Röntgenemission quer zur Radioemission ausgerichtet.“

Das Forschungsteam hat zwei auffällige Spitzen identifiziert, die beide faszinierende Eigenschaften aufweisen. Der südliche Röntgenpeak, der genau mit der hellsten Radioemission übereinstimmt, hat ein optisches Gegenstück, eine elliptische Zentralgalaxie. Im Gegensatz dazu weist der nordöstliche Peak rätselhafte Merkmale auf, er hat weder ein optisches Gegenstück noch entspricht er einer hellen Radioquelle. Weitere Untersuchungen des diffusen Röntgengases, das den Kleeblatt-ORC umgibt, deuten darauf hin, dass sich der ORC in einer mit Gas gefüllten Region befindet, die den Raum innerhalb der kleinen Galaxiengruppen durchdringt.

Das Team entdeckte eindeutige Hinweise darauf, dass sich das Kleeblatt-ORC-System mitten in einer Verschmelzung befindet. Bei einer genaueren Untersuchung einzelner Galaxien innerhalb des Systems fanden die Forscher erhebliche Störungen in deren Morphologie, insbesondere in Richtung Osten. Die Studie zeigt auch eine Untergruppe mit hohen Geschwindigkeiten, die bei optischen Wellenlängen erkennbar ist. Zusammen mit der gestörten Morphologie der Röntgenemission des gruppeninternen Mediums ist dies ein deutlicher Hinweis auf eine aktuelle Verschmelzung innerhalb des Kleeblatt-ORC. Signifikante Abweichungen zwischen Galaxien und Röntgengas werden häufig bei der Verschmelzung großer Galaxienhaufen beobachtet, sind aber innerhalb von Galaxiengruppen selten. Xiaoyuan Zhang, Postdoktorand am MPE und Zweitautor der Studie, betont, wie wichtig tiefere Röntgenbeobachtungen sind, um die thermische Geschichte des gruppeninternen Mediums zu verfolgen und tiefere Einblicke in das Fusionsszenario zu gewinnen. „Wenn wir die thermische Geschichte des gruppeninternen Mediums aufspüren wollen, die Aufschluss über das Verschmelzungsszenario geben würde, brauchen wir in Zukunft tiefere Röntgenbeobachtungen“, kommentiert Zhang.

Da bisher nur acht ORCs bekannt sind, muss jede mögliche Erklärung für ihren Ursprung die Frage beantworten, warum sie so selten sind. Die führende Theorie über die Seltenheit von ORCs besagt, dass nur wenige geometrische Faktoren zu ihrer Beobachtung im Zusammenhang mit solchen Verschmelzungen führen. Eine faszinierende Hypothese zu dem beobachteten starken Radiosignal besagt, dass die supermassereichen Schwarzen Löcher innerhalb des ORC in der Vergangenheit Phasen intensiver Aktivität durchlaufen haben. Die durch diese Aktivität beschleunigten Elektronen könnten durch die laufende Verschmelzung wieder beschleunigt werden und so zu dem beobachteten starken Radiosignal beitragen. „Obwohl das Verschmelzungsszenario die Eigenschaften des Kleeblatt-ORCs auf natürliche Weise erklärt, müssen wir vorsichtig sein, da es sich nur um ein einziges System handelt“, betont Esra Bulbul. „Durch umfassende Beobachtungen über einen weiten Wellenlängenbereich wollen wir auch die Ursachen für andere ORCs entschlüsseln.“

Hinweis
Dieses Projekt wurde vom Europäischen Forschungsrat (ERC) im Rahmen des Forschungs- und Innovationsprogramms „Horizon 2020“ der Europäischen Union gefördert („grant agreement No 101002585“).

Originalveröffentlichung
E. Bulbul, X. Zhang, M. Kluge et al.
Unraveling the galaxy group merger origin of the Cloverleaf odd radio circle system
A&A, 685, L2 (2024)
dx.doi.org/10.1051/0004-6361/202449900
https://www.aanda.org/articles/aa/full_html/2024/05/aa49900-24/aa49900-24.html
pdf: https://www.aanda.org/articles/aa/pdf/2024/05/aa49900-24.pdf

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• Radioastronomie

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Quelle: Universität Wien 12. April 2024.

12. April 2024 – Ein internationales Forscher*innenteam unter der Leitung der Astrophysikerin Kristina Kislyakova von der Universität Wien war erstmals in der Lage, die stellaren Winde dreier sonnenähnlicher Sterne direkt nachzuweisen: Indem die Röntgen-Emission der Astrosphären dieser Sterne aufgezeichnet wurde, konnte ihr Masseverlust über die Sternwinde bestimmt werden. Auf den untersuchten Sternen weht demnach ein 10- bis 66-fach stärkerer Sternenwind als in unserem Sonnensystem. Die Studie wurde aktuell in Nature Astronomy veröffentlicht.

So wie die Heliosphäre unser Sonnensystem umgibt, werden andere Sterne durch eine Astrosphäre umgeben – vorstellbar als eine Art sehr heiße Plasmablase, die von stellaren Winden in das interstellare Medium, einen Raum voll Gas und Staub, geblasen wird. Diese Sternenwinde treiben viele Prozesse an, die zentral für das Verständnis der stellaren und planetaren Entwicklung in diesen Sternensystemen sind, beispielsweise die Verdampfung der Atmosphären von Planeten und den damit verbundenen Masseverlust. Pro Jahr gesehen ist dieser Masseverlust von Planetenatmosphären zwar winzig, über lange geologische Zeiträume sind diese Verluste jedoch mitentscheidend dafür, ob sich ein Planet zu einer bewohnbaren Welt oder zu einem luftleeren Felsen entwickelt.

Bisher gab es jedoch für die Existenz dieser Sternenwinde bei sonnenähnlichen Sternen (so genannten Hauptreihensternen, also quasi Sternen in der Blüte ihres Lebens) nur indirekte Hinweise. Einem internationalen Forschungsteam unter der Leitung von Kristina Kislyakova, Senior Scientist am Institut für Astrophysik der Universität Wien, gelang es nun erstmals, die stellaren Winde dreier sonnenähnlicher Sterne direkt nachzuweisen und den von ihnen verursachen Masseverlust des Sterns zu messen.

Dafür nutzte das Team die Röntgen-Emission: Stellare Winde bestehen hauptsächlich aus Protonen und Elektronen, enthalten aber auch eine kleine Menge schwererer, hochgeladener Ionen (z. B. Sauerstoff, Kohlenstoff). Diese Ionen senden Röntgenstrahlen aus, indem sie Elektronen aus dem neutralen interstellaren Medium um den Stern herum fangen.

Den Durchbruch der Gruppe streicht auch Koautor Manuel Güdel, Leiter der Forschungsgruppe „Stern- und Planetenentstehung“ am Institut für Astrophysik der Universität Wien hervor: „Seit drei Jahrzehnten bemühten sich weltweit viele Gruppen, Winde um sonnenähnliche Sterne nachzuweisen und ihre Stärke zu messen, doch bisher gab es nur indirekte Hinweise auf die Existenz solcher Winde, die auf ihren sekundären Effekten auf den Stern oder seine Umgebung beruhten.“ Seine Forschungsgruppe habe zuvor versucht, die Radio-Emission der Winde zu erfassen, konnte aber nur obere Grenzwerte für die Windstärke angeben, nicht jedoch die Winde selbst nachweisen. „Unsere neuen röntgenbasierten Ergebnisse ebnen nun den Weg, diese Winde direkt zu finden und sogar abzubilden und ihre Wechselwirkungen mit den umliegenden Planeten zu untersuchen“, so Güdel.

Röntgenemission von Astrosphären entdeckt
Dem Team gelang es mithilfe von Beobachtungen mit dem Weltraumteleskop XMM-Newton, diese Röntgenemission der Astrosphären sonnenähnlicher Sterne erstmals direkt nachzuweisen und von den Röntgenemissionen der Sterne selbst zu trennen. Dadurch konnten zum ersten Mal stellare Winde direkt aufgezeichnet werden und die Massenverlustrate der Sterne über ihre Sternwinde berechnet werden.

Über die Analyse der spektralen Fingerabdrücke (so genannter Spektrallinien) der Sauerstoff-Ionen bestimmten die Forscher*innen die Sauerstoffmenge und letztlich die Gesamtmasse des von den Sternen ausgestoßenen Sternwindes. Dabei zeigte sich, dass die stellaren Winde bei den untersuchten Sternen (70 Ophiuchi, epsilon Eridani und 61 Cygni) deutlich stärker wehen: Die Massenverlustrate wird im Fall des Sterns 70 Ophiuchi auf das 66,5±11,1-fache, im Fall der Sterne epsilon Eridani und 61 Cygni auf das 15,6±4,4 bzw. 9,6±4,1-fache der Massenverlustrate unserer Sonne geschätzt. Ursache für die stärkeren Winde könnte die stärkere magnetische Aktivität dieser Sterne erklärt sein.

Sonnensystem als natürliches Labor
„Innerhalb unseres Sonnensystems wurde die Emission des Ladungsaustausch bereits bei Planeten, Kometen und in der Heliosphäre beobachtet – hier haben wir also quasi ein natürliches Labor, um die Zusammensetzung des Sonnenwinds zu untersuchen“, erklärt die Hauptautorin der aktuell im Journal Nature Astronomy publizierten Studie, Kristina Kislyakova. Die Beobachtung dieser Emission von weit entfernten Sternen sei aber natürlich aufgrund der Schwäche des Signals ungleich schwieriger: „Außerdem ist es aufgrund der Entfernung zu den Sternen sehr kompliziert, das von der Astrosphäre ausgesendete Signal von der tatsächlichen Röntgenemission des Sterns selbst zu trennen, auch weil ein Teil dieser Emissionen aufgrund instrumenteller Effekte über das Sichtfeld des Teleskops ,gestreut‘ wird. Wir haben einen neuen Algorithmus entwickelt, der die Röntgen-Emissionen des Sterns von denen der Astrosphäre trennt. Zudem konnten wir Signale für den Ladungsaustausch identifizieren, die von Sauerstoff-Ionen aus dem Sternwind und dem umgebenden neutralen interstellaren Medium von drei Hauptreihensternen stammen.“ Die geschätzten Massenverlustraten können künftig als Maßstab für Sternwindmodelle dienen und erweitern die bisherigen begrenzten Beobachtungsdaten für die Winde von sonnenähnlichen Sternen.

Originalpublikation in Nature Astronomy:
K.G. Kislyakova, M. Güdel, D. Koutroumpa, J.A. Carter, C.M. Lisse, S. Boro Saikia: X-ray detection of astrospheres around three main-sequence stars and their mass-loss rates. 2024.
DOI : 10.1038/s41550-024-02222-x
https://www.nature.com/articles/s41550-024-02227-6

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• Sternentwicklung

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Quelle: Max-Planck-Institut für Radioastronomie 19. Juli 2023.

19. Juli 2023 – Es könnte sich um einen ultralangperiodischen Magnetar handeln, eine seltene Art von Stern mit extrem starken Magnetfeldern, die gewaltige Energieausbrüche erzeugen können. Alle bis vor kurzem bekannten Magnetare setzen Energie in Intervallen von einigen Sekunden bis einigen Minuten frei. Das neu entdeckte Objekt sendet alle 22 Minuten Radiowellen aus und wäre damit der Magnetar mit der längsten Periode, der je entdeckt wurde.

Eine internationale Forschergruppe unter der Leitung von Dr. Natasha Hurley-Walker von der Curtin-Universität und dem „International Centre for Radio Astronomy Research“ (ICRAR) in Australien entdeckte mit dem „Murchison Widefield Array“ (MWA) in Westaustralien eine neue Art von Stern. Das Objekt, wahrscheinlich ein Magnetar, ein rotierender Neutronenstern mit extrem starken Magnetfeldern, die mehr als eine Milliarde Mal stärker sind als das stärkste auf der Erde erzeugte Magnetfeld, wurde als GPM J1839-10 bezeichnet. Er befindet sich in einer Entfernung von 15.000 Lichtjahren von der Erde in Richtung des Sternbilds Scutum (Schild). Es ist erst der zweite jemals entdeckte Magnetar mit extrem langer Ratationsperiode, der als rätselhaftes, vorübergehendes Objekt beschrieben wird, das in regelmäßigen Abständen auftaucht und wieder verschwindet und dreimal pro Stunde starke Energiestrahlen aussendet.

„Dieses bemerkenswerte Objekt stellt unser Verständnis von Neutronensternen und Magnetaren in Frage, die zu den exotischsten und extremsten Objekten im Universum gehören“, sagt Natasha Hurley-Walker, „Das erste dieser rätselhaften transienten Objekte hat uns überrascht. Wir waren verblüfft und begannen, nach ähnlichen Objekten zu suchen, um herauszufinden, ob es sich um ein isoliertes Ereignis oder lediglich um die Spitze des Eisbergs handelt.“

Beim Abscannen des Himmels mit dem MWA-Teleskop entdeckte das Team bald eine weitere Quelle, GPM J1839-10, die Energiestöße aussendet, die bis zu fünf Minuten dauern, fünfmal länger als beim ersten dieser Objekte. Folgebeobachtungen mit anderen Teleskopen bestätigten die Entdeckung und lieferten Details über die einzigartigen Eigenschaften des Magnetars.

„GPM J1839-10 ist eine ziemlich faszinierende Quelle, die sich scheinbar zu langsam dreht, um ein typischer Radiopulsar zu sein, aber auch zu stabil strahlt, um ein Radiomagnetar zu sein. Um die wahre Natur dieser Quelle zu verstehen, haben wir das Signal alle paar Millisekunden mit den von unserem Team entwickelten hochauflösenden Instrumenten zur Suche nach Pulsaren und schnellen Transienten abgetastet“, fügt Ewan Barr vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR) hinzu, ein Mitautor der Veröffentlichung. „Die Beobachtungen zeigten eine feine Puls-Substruktur, die quasi-periodische Schwingungen aufweist. Ob diese eine intrinsische Eigenschaft der Quelle oder ihrer Umgebung sind, muss noch geklärt werden.“

Das Team hat auch damit begonnen, die Beobachtungsarchive der wichtigsten Radioteleskope der Welt nach weiteren Informationen zu dieser Quelle zu durchsuchen.
„Der Magnetar tauchte in Beobachtungen des „Giant Metre wave Radio Telescope“ in Indien auf, und das „Very Large Array“ in den USA hatte Beobachtungen, die bis ins Jahr 1988 zurückreichen“, erklärt Natasha Hurley-Walker. „Das war ein ganz unglaublicher Moment für mich. Ich war fünf Jahre alt, als unsere Teleskope zum ersten Mal Pulse von diesem Objekt aufzeichneten, aber niemand bemerkte es, und es blieb 33 Jahre lang in den Daten verborgen.“

Nicht alle Magnetare erzeugen Radiowellen. Einige liegen unterhalb der so genannten „Todeslinie“, einer kritischen Schwelle, an der das Magnetfeld eines Sterns zu schwach wird, um Radiowellen zu erzeugen. Da GPM J1839-10 weit unterhalb der Todeslinie liegt, sollte er sich zu langsam drehen, um Radiopulse zu erzeugen.

Alle 22 Minuten sendet die Quelle einen fünfminütigen Radiowellenpuls aus, und das seit mindestens 33 Jahren. Welcher Mechanismus auch immer dahinterstecken mag, er muss außergewöhnlich sein. Die Entdeckung hat wichtige Auswirkungen auf das Verständnis der Physik von Neutronensternen und des Verhaltens von Magnetfeldern in extremen Umgebungen. Sie wirft auch neue Fragen über die Entstehung und Entwicklung von Magnetaren auf und könnte Licht in den Ursprung rätselhafter Phänomene wie schneller Radiobursts bringen.

Das Forscherteam plant weitere Beobachtungen des Magnetars, um mehr über seine Eigenschaften und sein Verhalten zu erfahren. Sie hoffen, in Zukunft noch weitere Magnetare mit extrem langer Periode zu entdecken, die dazu beitragen könnten, das Verständnis dieser faszinierenden und rätselhaften Objekte zu verfeinern.

Weitere Informationen:
Das Murchison Wide-field Array (MWA), mit dem die Quelle GPM J1839-10 entdeckt wurde, ist ein Vorläufer des weltweit größten Radioastronomie-Observatoriums, des SKA-Observatoriums (SKAO), das derzeit in Australien und Südafrika aufgebaut wird.

Zusätzliche Beobachtungen erfolgten mit drei australischen Radioteleskopen (Parkes, ASKAP, ATCA), mit MeerKAT in Südafrika, dem Vorläufer des SKAO für den mittleren Frequenzbereich, und mit dem Weltraum-Röntgenteleskop XMM-Newton.

Die Autoren der Veröffentlichung sind N. Hurley-Walker, N. Rea, S. J. McSweeney, B. W. Meyers, E. Lenc, I. Heywood, S. D. Hyman, Y. P. Men, T. E. Clarke, F. Coti Zelati, D. C. Price, C. Horvath, T. J. Galvin, G. E. Anderson, A. Bahramian, E. D. Barr, N. D. R. Bhat, M. Caleb, M. Dall’Ora, D. de Martino, S. Giacintucci, J. S. Morgan, K.M. Rajwade, B. Stappers und A. Williams. Yunpeng Men und Ewan Barr sind Mitarbeiter des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie.

Originalpublikation:
N. Hurley-Walker et al.: A long-period radio transient active for three decades, Nature, 19. Juli 2023
https://www.nature.com/articles/s41586-023-06202-5

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• Neutronensterne, Pulsare, Magnetare

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Quelle: AIP 15. Juni 2023.

15. Juni 2023 – Der neue Weiße-Zwerg-Pulsar, ein extrem enges Doppelsternsystem aus einem Weißen und einem Roten Zwergstern, die gemeinsam in die Sonne passen würden, ist erst das zweite bekannte seiner Art.

Weiße Zwerge sind extrem verdichtete Sternreste mit der Masse unserer Sonne aber der geringen Größe unseres Planeten Erde. Sie entstehen, wenn ein Stern mit geringer Masse seinen gesamten Brennstoff verbrannt hat, seine äußeren Schichten verliert und sein Inneres stark kontrahiert. Sie werden auch als „stellare Fossilien“ bezeichnet und bieten Einblicke in verschiedene Aspekte der Sternentwicklung.

Pulsare hingegen sind seit den 1960er Jahren bekannt und man kennt mehr als 3000 davon. Dabei handelt es sich um schnell rotierende, stark magnetische Neutronensterne, in denen geladene Teilchen durch ultrastarke elektrische Felder aus der Oberfläche gerissen und auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden. In Folge dessen senden sie Strahlung, also Licht, aus, und das vom Radio- bis in den Röntgen- oder sogar Gammabereich. Wegen der schnellen Rotation der Sterne treffen jeweils kurze Pulse der Strahlung an der Erde ein, womit sich die Namensgebung – Pulsar – begründet.

Zur großen Überraschung der wissenschaftlichen Gemeinschaft wurde im Jahr 2016 erstmals das Pulsarphänomen auf einem Weißen Zwerg beobachtet. Die Überraschung lag darin, dass in diesem Stern, AR Scorpii, weder die extrem schnelle Rotation noch die starken elektrischen Felder der eigentlichen Pulsare vorhanden waren. Der Weiße Zwergstern jedoch war in einem sehr engen Doppelsternsystem anzutreffen und wurde von seinem unmittelbaren Nachbarn, einem sonnenähnlichen Roten Zwergstern, durch Injektion in sein Magnetfeld mit Teilchen versorgt. Dadurch wird das Pulsarphänomen von außen entfacht und der rote Begleitstern wie mit einem Stroboskop bestrahlt, so dass das gesamte System in regelmäßigen Abständen dramatisch heller und schwächer wird. Die beiden Sterne, der Weiße und der Rote Zwerg, sind so eng benachbart, dass sie in unsere Sonne hineinpassen würden.

Entscheidend ist das Vorhandensein eines starken Magnetfeldes, dessen Ursache Astrophysikerinnen und Astrophysiker jedoch nicht kennen. Eine Schlüsseltheorie, die die starken Magnetfelder erklärt, ist das „Dynamomodell“ – es besagt, dass Weiße Zwerge Dynamos, elektrische Generatoren, in ihrem Kern haben, so wie die Erde, nur viel stärker. Um diese Theorie zu überprüfen, mussten Forschende jedoch nach anderen Weißen-Zwerg-Pulsaren suchen, um zu sehen, ob ihre Vorhersagen zutreffen.

In zwei neuen Studien, die parallel in Nature Astronomy und Astronomy & Astrophysics veröffentlicht wurden, beschreibt ein internationales Team unter Beteiligung des AIP den neu entdeckten Weißen-Zwerg-Pulsar J1912-4410 (eRASSU J191213.9-441044). Er ist 773 Lichtjahre von der Erde entfernt und dreht sich in fünf Minuten einmal um die eigene Achse, also 300-mal schneller als unser Planet. Der Weiße-Zwerg-Pulsar hat eine ähnliche Größe wie die Erde, aber eine Masse, die mindestens so groß ist wie die der Sonne. Das bedeutet, dass ein Teelöffel Weißer Zwerg etwa 15 Tonnen wiegen würde. Weiße Zwerge beginnen ihr Leben bei extrem hohen Temperaturen, bevor sie über Milliarden von Jahren abkühlen. Die niedrige Temperatur von J1912-4410 deutet auf ein hohes Alter hin.

Die Studie bestätigt, dass es weitere Weiße-Zwerg-Pulsare gibt, wie von früheren Modellen vorhergesagt. Es gab noch weitere Vorhersagen des Dynamomodells, die durch die Entdeckung von J1912-4410 bestätigt wurden. Aufgrund ihres hohen Alters sollten die Weißen Zwerge in dem Pulsarsystem kühl sein. Ihre Begleiter sollten nahe genug sein, dass die Anziehungskraft des Weißen Zwerges in der Vergangenheit stark genug war, um dem Begleiter Masse zu entziehen, was dazu führt, dass sie sich schnell drehen. Alle diese Annahmen treffen auf den neu entdeckten Pulsar zu: Der Weiße Zwerg ist kühler als 13.000 Kelvin, hat eine hohe Rotationsfrequenz von etwa fünf Minuten, und die Anziehungskraft des Weißen Zwerges hat eine starke Wirkung auf den Begleiter.

Ein Team nutzte Daten von Gaia und WISE, um Kandidaten zu finden, und konzentrierte sich auf solche, die ähnliche Eigenschaften wie AR Scorpii aufweisen. Nachdem sie ein paar Dutzend Kandidaten beobachtet hatten, fanden sie einen mit sehr ähnlichen Lichtvariationen wie AR Scorpii. Eine Folgebeobachtung mit anderen Teleskopen ergab, dass dieses System etwa alle fünf Minuten ein Radio- und Röntgensignal in Richtung Erde sendet. Ein anderes Team nutzte Daten des Röntgenteleskops eROSITA auf dem Satelliten Spektrum-Röntgen-Gamma, um enge Weißer-Zwerg/Roter-Zwerg-Paare zu finden. Beide Teams schlossen sich zusammen, um ihre neue Entdeckung weiter zu untersuchen.

„Wir freuen uns sehr, dass wir das Objekt in der mit SRG/eROSITA durchgeführten Röntgendurchmusterung gefunden haben“, bemerkt Dr. Axel Schwope, Leiter der Gruppe Röntgenastronomie am AIP und Erstautor der in Astronomy & Astrophysics erschienen Studie. „Die Folgeuntersuchung mit dem ESA-Satelliten XMM-Newton zeigte die Pulsationen im hochenergetischen Röntgenbereich, der letzte fehlende Beweis, um das Objekt als Weißen-Zwerg-Pulsar zu identifizieren. Damit bestätigten wir die ungewöhnliche Natur des neuen Objekts und etablierten die Weißen-Zwerg-Pulsare als eine neue Klasse, wenn auch derzeit nur mit zwei Vertretern.“

Dr. Ingrid Pelisoli vom Institut für Physik der Universität Warwick und Erstautorin der Nature-Studie, fügt hinzu: „Der Ursprung von Magnetfeldern ist eine große offene Frage in vielen Bereichen der Astronomie, und dies gilt insbesondere für Weiße Zwerge. Die Magnetfelder in Weißen Zwergen können mehr als eine Million Mal stärker sein als das Magnetfeld der Sonne, und das Dynamomodell hilft zu erklären, warum. Die Entdeckung von J1912-4410 ist ein entscheidender Schritt nach vorn in diesem Bereich.“

Über das AIP
Das Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam (AIP) widmet sich astrophysikalischen Fragen, die von der Untersuchung unserer Sonne bis zur Entwicklung des Kosmos reichen. Forschungsschwerpunkte sind dabei kosmische Magnetfelder und extragalaktische Astrophysik sowie die Entwicklung von Forschungstechnologien in den Bereichen Spektroskopie, robotische Teleskope und E-Science. Seinen Forschungsauftrag führt das AIP im Rahmen zahlreicher nationaler, europäischer und internationaler Kooperationen aus. Das Institut ist Nachfolger der 1700 gegründeten Berliner Sternwarte und des 1874 gegründeten Astrophysikalischen Observatoriums Potsdam, das sich als erstes Institut weltweit ausdrücklich der Astrophysik widmete. Seit 1992 ist das AIP Mitglied der Leibniz-Gemeinschaft.

Originalveröffentlichungen
X-ray properties of the white dwarf pulsar eRASSU J191213.9−441044. A. Schwope, T. R. Marsh, A. Standke, I. Pelisoli, S. Potter, D. Buckley, J. Munday, V. Dhillon. A&A 674 L9 (2023), doi.org/10.1051/0004-6361/202346589, https://www.aanda.org/articles/aa/abs/2023/06/aa46589-23/aa46589-23.html;
Pelisoli, I., Marsh, T.R., Buckley, D.A.H. et al. A 5.3-min-period pulsing white dwarf in a binary detected from radio to X-rays. Nat Astron (2023), doi.org/10.1038/s41550-023-01995-x, https://www.nature.com/articles/s41550-023-01995-x.

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• Weisse Zwerge
• Neutronensterne, Pulsare, Magnetare

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Quelle: ESA 12. Januar 2023.

12. Januar 2023 – Zwei Astronomenteams haben mit dem ESA-Weltraumteleskop XMM-Newton wiederholte Lichtausbrüche von inaktiven Schwarzen Löchern beobachtet, die immer wieder Sterne teilweise zerstören. Diese Entdeckung ist überraschend, da Ausbrüche von Schwarzen Löchern normalerweise nur einmal auftreten, wenn ein Schwarzes Loch einen Stern verschlingt.

Supermassive Schwarze Löcher befinden sich in den Zentren der meisten Galaxien. Ihre Masse reicht vom Hunderttausend- bis zum Milliardenfachen der Masse unserer Sonne. Trotzdem sind Schwarze Löcher schwer zu untersuchen und bleiben geheimnisvoll, da sie Licht einfangen und nur schwer zu entdecken sind.

Ein verstecktes supermassereiches Schwarzes Loch kann aufgedeckt werden, wenn ein Stern auf seiner Umlaufbahn zu nahe an das Schwarze Loch herankommt. Der Stern wird durch starke Gezeitenkräfte auseinandergerissen und bildet eine Scheibe aus Sterntrümmern, von der sich das Schwarze Loch ernährt. Während dieses Vorgangs, der als Tidal Disruption Event (TDE, Gezeitenstörungsereignis) bezeichnet wird, können energiereiche Röntgen-, UV-, optische und Radiostrahlung nachgewiesen werden.

Nicht komplett zerstört
Typische Gezeitenstörungsereignisse zeichnen sich durch einen hellen Lichtausbruch aus, der als „Flare“ bezeichnet wird. Er dauert einige Monate an, während derer das Schwarze Loch den Stern verschlingt. Mit XMM-Newton wurden jedoch zwei neue Flares mit eigenartigem Verhalten beobachtet. Diese Flares leuchten nach dem ersten Ausbruch wiederholt hell im Röntgen- und UV-Licht, was darauf hindeutet, dass die Sterne bei der ersten Begegnung mit den Schwarzen Löchern nicht vollständig zerstört wurden.

Die von den Astronomen Thomas Wevers von der Europäischen Südsternwarte und Zhu Liu vom Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik geleiteten Studien zeigen, dass ein Teil der Sterne den ersten Angriff der schwarzen Löcher überlebt haben könnte. Die Röntgen- und UV-Daten deuten darauf hin, dass Teile der Sterne nicht vollständig verschlungen werden. Sie setzen ihre Umlaufbahn fort und treffen erneut auf das zerstörerische Schwarze Loch, was zu wiederkehrenden Flares führt. Diese Aktivität wird als partielles Gezeitenstörungsereignis bezeichnet.

Die Forschenden fanden wiederholte Flares in zwei verschiedenen Galaxien, die supermassive schwarze Löcher beherbergen. Diese Galaxien liegen weit außerhalb der Milchstraße in Entfernungen von fast 900 Millionen Lichtjahren und einer Milliarde Lichtjahren.

Eines der erneuten Helligkeitsereignisse mit der Bezeichnung eRASSt J045650.3-203750 wurde vom Röntgenteleskop eROSITA an Bord der Mission Spectrum-Roentgen-Gamma entdeckt. XMM-Newton-Beobachtungen in den Jahren 2021 und 2022, die von einem Team unter der Leitung von Zhu Liu durchgeführt wurden, ergaben, dass auf den ursprünglichen Flare wiederholte Ausbrüche etwa alle 223 Tage folgten.

Zhu Liu erklärt: „Die Ergebnisse unserer ersten XMM-Newton-Beobachtung waren überraschend. Das Schwarze Loch zeigte eine ungewöhnlich starke Abschwächung des Röntgenlichts im Vergleich zu dem Zeitpunkt, als es zwei Wochen zuvor vom eROSITA-Teleskop entdeckt worden war. Nachfolgende Beobachtungen mit XMM-Newton und anderen Instrumenten bestätigten unsere Vermutungen, dass dieses Verhalten durch ein partielles Gezeitenstörungsereignis verursacht wurde.“

Das andere Gezeitenstörungsereignis mit der Bezeichnung AT2018fyk wurde vom All-Sky Automated Survey for Supernovae-Projekt entdeckt. Sie leuchtete mindestens 500 Tage lang hell im UV- und Röntgenbereich, gefolgt von einer plötzlichen Abschwächung. Im Mai 2022 untersuchten Thomas Wevers und sein Team mit XMM-Newton einen starken Anstieg der Röntgen- und UV-Helligkeit 1200 Tage nach seinem ersten Auftreten.

Zurück auf Start
„Zunächst waren wir völlig verunsichert, was die Aufhellung bedeuten könnte. Wir mussten praktisch nochmal von vorn anfangen, um alle möglichen Erklärungen für das beobachtete Verhalten zu prüfen. Es war ein sehr aufregender Moment, als wir erkannten, dass das Modell eines sich wiederholenden Gezeitenstörungsereignisses die beobachteten Daten reproduzieren konnte“, fügt Wever hinzu.

Insgesamt wurden über fünf Tage lang Beobachtungen mit XMM-Newton durchgeführt, um die Veränderung des Röntgenlichts dieser Quellen zu verfolgen. Die extrem empfindliche European Photon Imaging Camera an Bord von XMM-Newton half dabei, das heiße Material, das die Schwarzen Löcher umgibt, im Detail zu untersuchen.

William Alston, ESA Research Fellow, erläutert die Bedeutung der Ergebnisse: „Diese neuen Beobachtungen sind unglaublich interessant für die Untersuchung des Einflusses supermassereicher Schwarzer Löcher. Bei typischen Gezeitenstörungsereignissen erwarten wir erst in einigen tausend Jahren einen zweiten Flare. Da sich die Flares so schnell wiederholen, muss die Umlaufbahn des zerstörten Sterns eng an das supermassereiche Schwarze Loch gebunden gewesen sein. Diese neuen Studien deuten darauf hin, dass der zerstörte Stern in eine enge Umlaufbahn gezogen wird, nachdem er durch das zentrale supermassereiche Schwarze Loch aus einem Doppelsternsystem herausgerissen wurde.“

Die Teams, die die neue Entdeckung gemacht haben, sind weltweit verteilt – neben XMM-Newton und eROSITA sind an den Studien auch andere Missionen beteiligt, darunter das Neil Gehrels Swift Observatory der NASA, das Australia Telescope Compact Array (ATCA) und die Nutzlast der Neutron Star Interior Composition Explorer Mission auf der Internationalen Raumstation. Die Zusammenarbeit ermöglichte es, diese beispiellosen kosmischen Ereignisse zu beobachten, zu modellieren und bis ins kleinste Detail zu verstehen.

Gewöhnlich dunkel und ruhig
Einige Galaxien sind ständig aktiv und stoßen Flares aus, da das supermassive Schwarze Loch ständig gasförmige Materie in seine Umlaufbahn zieht. Die beiden neuen von XMM-Newton beobachteten Ereignisse stammen jedoch von Schwarzen Löchern, die normalerweise dunkel und ruhig sind, bis sich ein Stern nähert. Es ist das erste Mal, dass mit diesen beiden Ereignissen wiederholte Lichtausbrüche aus inaktiven Galaxien nachgewiesen werden konnten. Die Ergebnisse der Studien werden in zwei Artikeln in Astronomy & Astrophysics und The Astrophysical Journal Letters veröffentlicht.

Seit ihrer Entdeckung in den 1990er Jahren wurden fast 100 Ereignisse von Gezeitenstörungen beobachtet. Die XMM-Newton-Beobachtungen von Gezeitenstörungsereignissen sind entscheidend, um mehr über die ansonsten schwer zu beobachtenden supermassereichen Schwarzen Löcher zu erfahren, die im Zentrum großer Galaxien wie der unseren liegen.

Beide partiellen Gezeitenstörungsereignissen werden während der vorhergesagten Zeiträume künftiger Aufhellungsepisoden genau beobachtet, um die Ergebnisse zu bestätigen und weitere Erkenntnisse zu gewinnen. Es kann sein, dass die Beobachter mit Stille konfrontiert werden, was darauf hindeutet, dass der Stern in der vorangegangenen Episode mit Flares völlig verschluckt wurde. Diesen Ereignissen stehen turbulente Zeiten bevor – und die Jagd nach ähnlichen partiellen Gezeitenstörungsereignissen beginnt.

Publikationen:
‚Live to die another day: the rebrightening of AT2018fyk as a repeating partial tidal disruption event‘ von T. Wevers et al. wird in The Astrophysical Journal Letters veröffentlicht. Vorabdruck: https://arxiv.org/abs/2209.07538

‘Deciphering the extreme X-ray variability of the nuclear transient eRASSt J045650.3−203750 : A likely repeating partial tidal disruption event’ von Z. Liu et al. wurde zur Veröffentlichung in Astronomy & Astrophysics angenommen: https://www.aanda.org/articles/aa/full_html/2023/01/aa44805-22/aa44805-22.html

Die Ergebnisse des Teams wurden auf einer Pressekonferenz der Amerikanischen Astronomischen Gesellschaft (AAS) am Donnerstag, den 12. Januar 2023, vorgestellt.

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• Schwarze Löcher

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Quelle: AIP 2. November 2022.

2. November 2022 – Während der „Anti-Aging-Effekt“ von heißen Jupitern, d.h. riesigen gasförmigen Exoplaneten, die einen Stern in Merkur-Entfernung oder näher umkreisen, schon früher beobachtet wurde, dokumentieren neue Beobachtungen nun zum ersten Mal den Effekt systematisch und liefern somit den bisher stärksten Nachweis für dieses exotische Phänomen.

„In der Medizin braucht man viele Menschen, die an einer Studie teilnehmen, um zu wissen, ob die Effekte real sind oder eine Art Ausreißer“, sagt Nikoleta Ilic, Doktorandin in der Abteilung Sternphysik und Exoplaneten am AIP und Erstautorin der Studie. „Das gleiche gilt manchmal auch für die Astronomie, und diese Studie gibt uns die Gewissheit, dass diese heißen Jupiter die Sterne, die sie umkreisen, tatsächlich jünger wirken lassen, als sie sind.“

Ein heißer Jupiter kann seinen Wirtsstern durch Gezeitenkräfte beeinflussen, so dass sich der Stern schneller dreht, als wenn er keinen solchen Planeten hätte. Diese schnellere Rotation kann dazu führen, dass der Wirtsstern aktiver wird und mehr Röntgenstrahlung erzeugt, was auf ein jüngeres Alter des Sterns hindeuten kann.

Wie beim Menschen gibt es jedoch viele Faktoren, die die Vitalität eines Sterns bestimmen können. Alle Sterne verlangsamen mit zunehmendem Alter ihre Rotation und Aktivität und erleben weniger Ausbrüche. Da es schwierig ist, das Alter der meisten Sterne genau zu bestimmen, war es für Astronominnen und Astronomen bisher schwierig festzustellen, ob ein Stern ungewöhnlich aktiv ist, weil er von einem nahen Planeten beeinflusst wird, der ihn jünger erscheinen lässt, als er ist, oder weil er tatsächlich jung ist.

Die Forscherinnen gingen dieses Problem an, indem sie Doppelsternsysteme untersuchten, bei denen die Sterne weit voneinander entfernt sind, aber nur einer von ihnen von einem heißen Jupiter umkreist wird. Astronominnen und Astronomen wissen, dass sich die Sterne in den Doppelsternsystemen, genau wie menschliche Zwillinge, gleichzeitig bilden. Der Abstand zwischen den Sternen ist viel zu groß, als dass sie sich gegenseitig beeinflussen könnten oder als dass der heiße Jupiter den anderen Stern beeinflussen könnte. Das bedeutet, dass sie den planetenfreien Stern im System als „Kontrollproband“ verwenden können.

„Es ist fast so, als würde man Zwillinge in einer Studie verwenden, bei der ein Zwilling in einer völlig anderen Umgebung lebt, die sich auf ihre Gesundheit auswirkt“, erklärt Mitautorin Prof. Dr. Katja Poppenhäger, Leiterin der Abteilung Sternphysik und Exoplaneten am AIP. „Indem wir einen Stern mit einem nahegelegenen Planeten mit seinem Zwilling ohne einen solchen vergleichen, können wir die Unterschiede im Verhalten der gleichaltrigen Sterne untersuchen.“

Das Team beobachtete die von den Sternen ausgesandte Röntgenstrahlung mit den Weltraumteleskopen Chandra und XMM-Newton, um zu bestimmen, wie „jung“ ein Stern ist. Sie suchten nach Anzeichen für den Einfluss ihrer Planeten auf die Sterne, indem sie fast drei Dutzend Systeme im Röntgenlicht studierten. Sie fanden heraus, dass die Sterne mit heißen Jupitern tendenziell heller im Röntgenlicht und damit aktiver waren als ihre Begleitsterne ohne heiße Jupiter.

„In früheren Fällen gab es einige sehr faszinierende Hinweise, aber jetzt haben wir endlich den statistischen Beweis, dass einige Planeten tatsächlich ihre Sterne beeinflussen und sie jung halten“, so Mitautorin Marzieh Hosseini, ebenfalls AIP-Forscherin. „Wir hoffen, dass künftige Studien dazu beitragen werden, mehr Systeme zu entdecken, um diesen Effekt besser zu verstehen.“

Originalveröffentlichung
Tidal star–planet interaction and its observed impact on stellar activity in planet-hosting wide binary systems. N. Ilic, K. Poppenhaeger, S. Marzieh Hosseini, 2022, MNRAS, 513, 3, 4380, doi.org/10.1093/mnras/stac861, https://academic.oup.com/mnras/article/513/3/4380/6564186, https://arxiv.org/abs/2203.13637, pdf: https://arxiv.org/pdf/2203.13637.

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• Exoplaneten

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Quelle: Eberhard Karls Universität Tübingen 26. Oktober 2022.

26. Oktober 2022 – Der leichteste bisher bekannte Neutronenstern steht im Zentrum des Supernovaüberrests HESS J1731-347. Dr. Victor Doroshenko, Dr. Valery Suleimanov, Dr. Gerd Pühlhofer und Professor Andrea Santangelo von der Abteilung Hochenergieastrophysik am Institut für Astronomie und Astrophysik der Universität Tübingen entdeckten das ungewöhnliche Objekt mithilfe von Röntgenteleskopen im All. Nach Berechnungen des Forschungsteams besitzt er nur etwa die Hälfte der Masse eines typischen Neutronensterns. Als Berechnungsgrundlage nutzte es neue Entfernungsmessungen zu einem Begleitstern, den das gleiche Team bereits früher entdeckt hatte. So konnten die Astrophysiker Masse und Radius des Neutronensterns mit bisher unerreichter Genauigkeit angeben. Ihre Studie wurde in der Fachzeitschrift Nature Astronomy veröffentlicht.

Neutronensterne werden geboren, wenn normale Sterne mit großer Masse in der Explosion einer Supernova ‚sterben‘, berichtet Victor Doroshenko, der Hauptautor der Studie. Sie seien extreme Objekte, die sozusagen als Himmelslabore für Studien der physikalischen Grundlagenforschung genutzt werden können. „Neutronensterne weisen noch unbekannte Eigenschaften von Materie auf, sie haben eine viel höhere Dichte als Atomkerne“, sagt der Forscher. Solche Bedingungen könnten in irdischen Laboren nicht nachgebildet werden. „Beobachtungen von Neutronensternen im All mit Röntgen- oder anderen Teleskopen werden uns erlauben, die Rätsel der superdichten Materie zu lösen – zumindest, wenn wir Herausforderungen wie die bei der Beobachtung entstehende Unschärfe bei den Entfernungsmessungen in den Griff bekommen. Genau das ist uns nun gelungen.“

Präzise Berechnungen
Der Neutronenstern im Zentrum des Supernovaüberrests HESS J1731-347 war einer von einer Handvoll von Objekten, die bei Messungen der Gammastrahlung mit den H.E.S.S.-Teleskopen in Namibia entdeckt und anschließend durch Röntgenteleskope aus dem All untersucht wurden, berichtet Doroshenko. „Erst dadurch wurde der sich abkühlende Neutronenstern sichtbar“, setzt Gerd Pühlhofer hinzu. Die Besonderheit dieses Objekts ist, wie das gleiche Forschungsteam bereits früher festgestellt hatte, dass es mit einem weiteren Stern physikalisch verbunden ist. Er beleuchtet die Staubhülle um den Neutronenstern und taucht sie in infrarotes Licht. Der Begleitstern wurde kürzlich durch das Gaia-Weltraumteleskop der Europäischen Raumfahrtagentur beobachtet, was dem Forschungsteam eine akkurate Entfernungsmessung zu beiden Objekten lieferte. Bei der Gaia-Mission wird der Himmel hochgenau dreidimensional optisch durchmustert. „Dadurch konnten wir vorherige Ungenauigkeiten beheben und unsere Modelle verbessern. Masse und Radius des Neutronensterns ließen sich viel genauer bestimmen, als es bisher möglich war“, erklärt Valery Suleimanov aus der Theoretischen Astrophysik.

Noch sei nicht klar, wie sich das ungewöhnliche Objekt gebildet hat. Auch gebe es Zweifel, ob es sich tatsächlich um einen Neutronenstern handelt oder ob das Objekt Kandidat für ein noch viel exotischeres Objekt ist, das aus seltsamer Quark-Materie besteht, sagt Andrea Santangelo und setzt hinzu: „Das ist aktuell der vielversprechendste Quarkstern-Kandidat, den wir bisher kennen, auch wenn seine Eigenschaften mit denen eines ‚normalen‘ Neutronensterns übereinstimmen.“ Doch selbst in dem Fall, dass es sich bei dem Objekt im Zentrum von HESS J1731-347 um einen Neutronenstern handele, bleibe es ein besonders interessantes Objekt. „Es erlaubt uns, den noch unerforschten Teil des Parameterraums in der Masse-Radius-Ebene von Neutronensternen zu untersuchen. So erhalten wir wertvolle Hinweise auf die Zustandsgleichung der dichten Materie, mit der sich ihre Eigenschaften beschreiben lassen“, schließt Santangelo.

Publikation:
Victor Doroshenko, Valery Suleimanov, Gerd Pühlhofer and Andrea Santangelo: A strangely light neutron star within a supernova remnant. Nature Astronomy, 24. Oktober 2022, doi.org/10.1038/s41550-022-01800-1, https://www.nature.com/articles/s41550-022-01800-1.

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• Neutronensterne, Pulsare, Magnetare

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Quelle: Max-Planck-Institut für Astrophysik.

28. Januar 2022 – Im Juli 2020, kurz nach dem Start seiner zweiten Himmelsdurchmusterung, entdeckte das eROSITA-Röntgenteleskop an Bord des Weltraumobservatoriums SRG eine neue Quelle an einer Position, an der bisher keine Röntgenstrahlen nachgewiesen wurden. Als die Astrophysiker daraufhin die Datenbank der optischen Veränderlichen überprüften, stellte sich heraus, dass etwa vierzig Tage zuvor die „Zwicky Transient Facility“ (ZTF) und das „Asteroid Terrestrial-impact Last Alert System“ (ATLAS) an derselben Stelle eine scheinbar gewöhnliche, optische Veränderliche mit der Bezeichnung AT2020mrf registriert hatten. Diese wurde zunächst als Supernova vom Typ II eingestuft, also als massereicher Stern, der am Ende seines Lebens kollabiert. Diese ursprüngliche Klassifizierung änderte sich jedoch grundlegend durch die eROSITA-Entdeckung der Röntgenemission und die Form der optischen Lichtkurve der Quelle. Es wurde klar, dass die Astrophysiker auf ein noch interessanteres Objekt gestoßen waren.

Es gibt eine Klasse optischer Veränderlicher, die mit Supernova-Explosionen in Verbindung gebracht werden und die sich durch schnelle Lichtkurven und zu viel Blau in ihren Spektren auszeichnen, die so genannten „Fast Blue Optical Transients“ (FBOTs). Da ihre Helligkeit schnell abfällt, kann man sie nur schwer untersuchen. Allerdings gibt es darunter eine geheimnisvolle und seltene Unterklasse, die sogenannten AT2018cow-ähnlichen Objekte. Die Namen der von der ATLAS-Anlage entdeckten optischen Transienten (daher die Buchstaben „AT“ im Namen) werden nach dem Jahr der Entdeckung (in diesem Fall 2018) benannt, gefolgt von einer Kombination aus mehreren Buchstaben, die von einem Computer generiert werden. In diesem Fall bildeten die Buchstaben zufällig das englische Wort „cow“ – daher nennen die Astronomen diese Klasse nun „Kuh“-ähnliche Objekte. Vor der Entdeckung von SRGe J154754.2+443907 waren nur vier solcher Objekte bekannt; die SRG/eROSITA-Quelle war Nummer fünf.

„Kühe“ zeichnen sich durch eine rekordverdächtige Leuchtkraft aus (bis zu10⁴³ erg/s in der Spitze), die etwa 1000-mal heller ist als eine gewöhnliche Supernova vom Typ II. Eine solche Leuchtkraft kann nicht durch den Zerfall von radioaktivem Nickel-56 erklärt werden und erfordert eine alternative Energiequelle.

SRGe J154754.2+443907 wurde vom eROSITA-Team bei der Suche nach Ereignissen entdeckt, bei denen ein Stern durch die Gezeitenkräfte eines supermassereichen Schwarzen Lochs zerstört wird. Bald wurde jedoch klar, dass die Forscher es mit etwas Anderem zu tun hatten. Sie lösten daraufhin eine Beobachtungskampagne mit Teleskopen vom Radio- bis zum Röntgenbereich aus, um die neue Quelle bei weiteren Wellenlängen zu untersuchen. Dies bestätigte, dass SRGe J154754.2+443907 das fünfte „Kuh“-artige Objekt ist. An den Multiwellenlängenbeobachtungen waren das 10-Meter-Keck-Teleskop, die Radioteleskope VLA und GMRT sowie die Röntgen-Weltraumobservatorien Chandra, XMM-Newton und Swift beteiligt. Das Programm wurde von einem Doktoranden des Caltech, Yuhan Yao, koordiniert.

Das eROSITA-Teleskop beobachtete dieses Objekt kurz nach dem Höhepunkt der Lichtkurve. Diese Beobachtungen haben gezeigt, dass AT2020mrf/SRGe J154754.2+443907 die hellste bekannte „Kuh“ ist, mit einer Leuchtkraft von über ~2 x 10⁴³ erg/s. Eine solche Leuchtkraft könnte von einem jungen, schnell rotierenden Neutronenstern (mit einer Periode von etwa 10 Millisekunden) mit einem Magnetfeld in der Größenordnung von 10¹⁴ Gauß stammen – einem so genannten Magnetar – oder auch von einem neu entstandenen Schwarzen Loch erzeugt werden, das Material des Vorgängersterns im superkritischen Bereich akkretiert. In jedem Fall haben die Wissenschaftler die Geburt eines relativistischen, kompakten Objekts durch die Explosion eines massereichen Sterns beobachtet.

Die neue „Kuh“ ist bereits verblasst, während viele Fragen noch unbeantwortet bleiben. Um die Natur dieser Quellen zu klären und die physikalischen Mechanismen zu verstehen, die ihr Verhalten bestimmen, müssen die Wissenschaftler weitere Objekte dieser Klasse finden und im Detail untersuchen. Die laufende SRG/eROSITA-Durchmusterung des gesamten Himmels wird einen wichtigen Beitrag zu dieser Arbeit leisten.

Originalveröffentlichung
Yuhan Yao, Anna Y. Q. Ho, Pavel Medvedev, Nayana A. J., Daniel A. Perley, S. R. Kulkarni, Poonam Chandra, Sergey Sazonov, Marat Gilfanov, Georgii Khorunzhev, David K. Khatami, Rashid Sunyaev
The X-ray and Radio Loud Fast Blue Optical Transient AT2020mrf: Implications for an Emerging Class of Engine-Driven Massive Star Explosions
submitted to ApJ
https://arxiv.org/abs/2112.00751
pdf: https://arxiv.org/pdf/2112.00751

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• Röntgenteleskope ART-XC und eRosita auf Spektr-RG (SRG)

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Quelle: Universität Bonn.

Vor einem halben Jahr meldeten Astronomen der Universität Bonn die Entdeckung eines extrem langen intergalaktischen Gasfadens mit dem Röntgenteleskop eROSITA. In einer neuen Studie haben sie sich nun auf eine interessante Struktur in dem Faden konzentriert, den nördlichen Klumpen. Ihre neuen Beobachtungsdaten belegen, dass es sich dabei um einen Galaxienhaufen mit einem schwarzen Loch im Zentrum handelt. Der Gasfaden ist demnach eine galaktische Materiestraße: Der nördliche Klumpen bewegt sich auf ihr auf zwei weitere riesige Galaxienhaufen zu und wird irgendwann mit ihnen verschmelzen. Die Veröffentlichung erfolgt in der Zeitschrift Astronomy & Astrophysics, zusammen mit weiteren Arbeiten, die aus Anlass der ersten eROSITA-Daten erscheinen.

Das Universum ähnelt einem Schweizer Käse – allerdings einem mit riesigen Löchern: Große Bereiche im All sind absolut leer. Dazwischen tummeln sich auf vergleichsweise engem Raum Tausende von Galaxien. Diese Cluster sind durch Straßen aus dünnem Materiegas miteinander verbunden, wie durch die hauchdünnen Fäden eines Spinnennetzes.

So sagt es zumindest das Standardmodell der Kosmologie voraus. Ob es sich tatsächlich so verhält, war bis vor kurzem kaum zu belegen. Denn die Materie in den Gasfäden ist so stark verdünnt, dass sie sich dem Blick selbst der empfindlichsten Messinstrumente entzog: Die Fäden enthalten pro Kubikmeter gerade einmal zehn Teilchen – das ist sehr viel weniger, als in dem besten Vakuum vorhanden sind, das Menschen herstellen können.

Entsprechend viel Aufsehen erregte im letzten Winter eine Studie unter Federführung der Universität Bonn. Die Forschenden hatten einen intergalaktischen Gasfaden von mindestens 50 Millionen Lichtjahren Länge entdeckt, der von zwei riesigen Galaxienhaufen ausgeht. „In diesem Faden gibt es einen weiteren Galaxienhaufen, den nördlichen Klumpen“, erklärt Prof. Dr. Thomas Reiprich vom Argelander-Institut für Astronomie der Universität Bonn. „In der jetzt erschienenen Arbeit haben wir ihn genauer unter die Lupe genommen.“

Bugwelle und Materieschweif
Die Wissenschaftler kombinierten dazu Aufnahmen verschiedener Quellen miteinander: der Satelliten SRG/eROSITA, XMM-Newton und Chandra sowie der EMU-Durchmusterung mit dem ASKAP-Radioteleskop und optische DECam Daten. Auf diese Weise entstanden Bilder mit nie gesehenem Detailreichtum. „So können wir im Mittelpunkt des nördlichen Klumpen eine große Galaxie ausmachen“, sagt Reiprichs Mitarbeiterin und Erstautorin der Studie Angie Veronica. „In ihrem Zentrum wiederum befindet sich ein supermassereiches schwarzes Loch.“ Von ihm gehen zwei so genannte Materiejets aus, in denen sich die Teilchen mit annähernd Lichtgeschwindigkeit vom schwarzen Loch entfernen. Dabei entsteht Synchroton-Strahlung, die sich in den Radioteleskop-Aufnahmen sichtbar machen lässt.

Darüber hinaus enthält der nördliche Klumpen sehr heißes Materiegas. „Aufgrund seiner hohen Temperatur von 20 Millionen Grad emittiert es Röntgenstrahlung, die wir in den eROSITA-Bildern sehen und mit dem XMM-Newton Satelliten nun sehr genau vermessen konnten“, sagt Veronica. Insgesamt zeigt die Kombination der Datenquellen, dass der nördliche Klumpen sich wahrscheinlich mit hoher Geschwindigkeit bewegt. Die Materiejets, die vom schwarzen Loch ausgehen, weisen wie die Zöpfe eines rennenden Mädchens nach hinten; vor dem Klumpen scheint das Gas zudem eine Art Bugwelle zu bilden. „Zudem sehen wir hinter ihm einen Materieschweif“, erklärt Reiprich. „Wir interpretieren diese Beobachtung momentan so, dass der nördliche Klumpen bei seiner Reise Materie verliert. Allerdings könnte es auch so sein, dass noch kleinere Materieklumpen in der Straße auf den nördlichen Klumpen zufallen.“

Insgesamt bestätigen die Beobachtungen die aus Theorien abgeleitete These, dass es sich bei dem Gasfaden um eine intergalaktische Materiestraße handelt. Der nördliche Klumpen bewegt sich auf dieser Straße mit hoher Geschwindigkeit auf zwei weitere, sehr viel größere Galaxienhaufen namens Abell 3391 und Abell 3395 zu. „Er fällt sozusagen auf diese Haufen und wird sie weiter vergrößern – ganz nach dem Prinzip: Wer hat, dem wird gegeben“, erklärt Reiprich, der auch Mitglied im transdisziplinären Forschungsbereich „Bausteine der Materie“ an der Universität Bonn ist. „Was wir sehen, ist eine Momentaufnahme dieses Falls.“

Beobachtungen in Übereinstimmung mit theoretischen Vorhersagen
Die Beobachtungen stimmen erstaunlich gut mit dem Ergebnis der Magneticum-Computersimulationen überein, die von Forschern des eROSITA-Konsortiums entwickelt wurden. Sie lassen sich daher auch als Argument dafür werten, dass die heute gültigen Annahmen über die Entstehung und Entwicklung des Universums korrekt sind. Dazu zählt auch die These, dass ein großer Teil der Materie für unsere Messinstrumente unsichtbar ist. 85 Prozent unseres Universums sollen aus dieser „dunklen Materie“ bestehen. Im Standardmodell der Kosmologie spielt sie unter anderem eine wichtige Rolle als Kondensationskeim, der nach dem Urknall die Verdichtung der gasförmigen Materie zu Galaxien bewirkte.

Beteiligte Institutionen und Förderung:
An der Studie waren über 20 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus Deutschland, Italien, den USA und Australien beteiligt. eROSITA wurde mit Mitteln der Max-Planck-Gesellschaft und des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) entwickelt. Die aktuelle Studie wurde durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert.

Publikation:
Angie Veronica u.a.: The eROSITA view of the Abell 3391/95 field: The Northern Clump. The largest infalling structure in the longest known gas filament observed with eROSITA, XMM-Newton, and Chandra.
Astronomy & Astrophysics, der Artikel wird in der Astronomy & Astrophysics-Spezialausgabe erscheinen: The Early Data Release of eROSITA and Mikhail Pavlinsky ART-XC on the SRG Mission, vorab auf

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• Längster intergalaktischer Gasfaden entdeckt (17. Dezember 2020)

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• Röntgenteleskope ART-XC und eRosita auf Spektr-RG (SRG)
• Galaxien – Entstehung und Entwicklung

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Quelle: FAU.

Doppelsterne sind Astrophysikerinnen und -physikern gut bekannt. Einer gab ihnen jedoch Rätsel auf: Warum fehlte ein Teil der Röntgenstrahlung, die die Doppelsternsysteme aussenden? Und warum hatte der andere Teil überraschende Eigenschaften? Ein Forschungsteam unter Federführung der FAU hat sich mit diesen Fragen beschäftigt und ein Doppelsternsystem mithilfe von Röntgensatelliten beobachtet. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift „Astronomy & Astrophysics“ veröffentlicht.

Doppelsterne sind im Weltraum nichts Ungewöhnliches. Selbst wenn der eine Partner wie bei IGR J16318-4848 in einem der Spiralarme unsere Galaxie aus einem Neutronenstern und damit aus dem superkompakten Rest einer Sternen-Leiche besteht. Dessen Gegenüber wirkt ebenfalls exotisch, weil es sich um einen Überriesen-Stern handelt, der ein Vielfaches der Masse unserer Sonne hat. Obendrein entpuppt sich dieses Monster als eine Art „kosmische Dreckschleuder“, die jede Menge Eisen in den Weltraum bläst. „Meist erreicht uns von solchen Systemen ein breites Spektrum aus weicher und harter Röntgenstrahlung“, erklärt Prof. Dr. Jörn Wilms vom Astronomischen Institut der FAU in der Dr. Karl Remeis-Sternwarte Bamberg. Dieses System aber gab Astrophysikerinnen und Astrophysikern eine harte Nuss zu knacken, weil nicht nur der gesamte weiche Teil der Strahlung fehlt, sondern obendrein das harte Röntgenlicht auch noch sehr überraschende Eigenschaften hat. Lösen konnten Jörn Wilms, sein Doktorand Ralf Ballhausen und ein Forschungsteam in Deutschland, den Niederlanden, Spanien und den USA dieses Problem erst mit Hilfe gleich zweier Röntgen-Satelliten und Computer-Modellen, mit denen sie die Vorgänge um dieses bizarr anmutende System aus zwei Sternen simulierten.

Der Überriese, der Winzling und das Rätsel
In diesem Sternen-Paar bläst der Überriese, dessen wahre Größe noch gar nicht genau bestimmt werden konnte, kontinuierlich einen Teil seiner eigenen Masse als Sternenwind in den Weltraum. Dort aber kreist wahrscheinlich bereits ein Neutronenstern, der einst entstand, als ein Stern, der mindestens die achtfache Masse unserer Sonne hatte, am Ende seines Lebens zu einem extrem kompakten Gebilde zusammenstürzte. Dort sind die Atomkerne extrem dicht nebeneinander gepackt. Ein Teelöffel davon wäre ähnlich schwer wie ein Eisenwürfel mit 700 Meter langen Kanten. „Obwohl er die 1,4-fache Masse unserer Sonne hat, ist ein solcher Neutronenstern mit einem Durchmesser von zehn Kilometern im Vergleich mit den 700.000 Kilometern unserer Sonne nur ein Winzling“, erklärt Jörn Wilms. Fällt die vom Überriesen-Partner ausgestoßene Materie auf diesen super-massiven Winzling, entsteht Röntgenstrahlung. „Nur fehlt bei diesem Doppelstern-System nicht nur die gesamte weiche Röntgenstrahlung, sondern besteht auch der harte Teil fast ausschließlich aus einer extrem hellen Emissionslinie, die aus Eisen stammt“, staunt FAU-Forscher Jörn Wilms.

Diese Röntgen-Fluoreszenz entsteht, wenn das Röntgenlicht vom Neutronenstern aus Eisen-Atomen Elektronen herausschlägt, die aus der nächsten Nähe des Atomkerns stammen. Die so entstandene Lücke wird rasch von einem Elektron aus etwas größerer Entfernung zum Kern geschlossen. Dabei wird genau die Strahlung frei, von der Röntgensatelliten riesige Mengen messen. „Daraus schließen wir, dass dort große Mengen Eisen vorhanden sind“, folgert FAU-Forscher Ralf Ballhausen.

Nur ist der Neutronenstern sehr heiß und sollte dieses Eisen kräftig aufheizen. Dadurch verlieren die Atome leicht Elektronen, die relativ weit vom Atomkern entfernt sind und die daher ohnehin nicht allzu fest gebunden sind. Dabei werden die Atome zu Ionen. Dieser Verlust verändert auch die Elektronen-Struktur in nächster Nähe zum Atomkern und gleichzeitig auch die Röntgen-Fluoreszenz ein klein wenig. „Als 2016 der japanische Satellit Hitomi das System vermaß, fanden sich solche Veränderungen aber kaum“, berichtet Jörn Wilms. Anscheinend gibt es dort also kaum die erwarteten Eisen-Ionen, sondern wohl vor allem Eisen-Atome. Wieso aber werden diese von der starken Röntgenstrahlung nicht aufgeheizt und in Ionen verwandelt? Die Forscherinnen und Forscher standen vor einem großen Rätsel.

Die Lösung? Fester Staub!
Die Lösung fand das Team um die FAU-Forscher Jörn Wilms und Ralf Ballhausen, als es das System gleichzeitig mit zwei Röntgen-Satelliten beobachtete: Das NuSTAR Röntgenteleskop der US-Weltraumorganisation NASA und der 3,8-Tonnen-Gigant XMM-Newton, den die europäische Weltraumorganisation ESA bereits 1999 in den Weltraum gehievt hat, zeigen gemeinsam das gesamte Spektrum der Röntgenstrahlung in sehr hoher Qualität. Aber noch immer lieferten die Modellrechnungen mit diesen Ergebnissen eine andere Röntgen-Strahlung als die aus dem System gemessene. Erst als die Forscherinnen und Forscher in ihren Modellen das bisher als Gas angenommene Eisen durch einen festen Staub ersetzten, stimmten die vom Computer ausgespuckten Werte endlich mit der Realität im Weltraum überein.

Damit aber hatte das Team auch das Geheimnis um die seltsame Röntgenstrahlung gelöst: „Der Überriese ist zwar tatsächlich eine Dreckschleuder, die sehr viel Eisen in den Weltraum bläst“, erklärt Ralf Ballhausen. „Nur verklumpt dieses Gas rasch und bildet so festen Staub.“ Dieser könnte vielleicht aus Olivin und damit einem Mineral aus Eisen und Nickel bestehen, das nicht nur im Erdmantel, sondern auch in Meteoriten und sehr wahrscheinlich auch überall sonst im Weltraum reichlich vorkommt. Dieser Olivin-Staub sammelt sich in großen Mengen an und hüllt das Paar aus Neutronenstern und Überriesen in eine dichte Staubschicht. In den inneren Bereichen kann die Röntgenstrahlung vom Neutronenstern dieses Eisen zwar kräftig aufheizen. Von der Erde aus aber beobachten die Röntgensatelliten nur die äußersten Schichten der Staubhülle. Und dort bleibt das Olivin kalt.

Inzwischen nehmen Jörn Wilms, Ralf Ballhaus und ihr Team bereits andere Doppelstern-Systeme unter die Lupe, die ebenfalls die Röntgenstrahlen aus ihrem Inneren großenteils zu verschlucken scheinen. Vielleicht ähneln die Verhältnisse dort ja auch dem Neutronenstern und seinem Überriesen und dicke, kalte Staubhüllen sind nichts Ungewöhnliches im Weltraum?

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• Doppelsterne

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Quelle: ESA.

Astronomen gehen seit Jahrzehnten davon aus, dass sich das Universum in allen Richtungen gleich schnell ausdehnt. Eine neue Studie, die auf Daten der XMM-Newton-Mission der ESA, der NASA-Mission Chandra und des deutschen ROSAT-Röntgensatelliten (DLR) basiert, legt nahe, dass diese Schlüsselprämisse der Kosmologie falsch sein könnte.

Konstantinos Migkas, ein promovierter Astronom und Astrophysiker an der Universität Bonn, und sein Professor Thomas Reiprich wollten ursprünglich eine neue Methode verifizieren, mit der Astronomen die so genannte Isotropie-Hypothese überprüfen können. Nach dieser Annahme hat das Universum trotz einiger lokaler Unterschiede im Großmaßstab in jeder Richtung die gleichen Eigenschaften.

Diese Hypothese ist als Ergebnis einer gut etablierten Fundamentalphysik weithin anerkannt und wurde durch Beobachtungen des kosmischen Mikrowellenhintergrunds gestützt. Dieser ist ein direkter Überrest des Urknalls und spiegelt den Zustand des Universums in seinen Anfängen, im Alter von nur 380 000 Jahren, wider. Die gleichmäßige Verteilung des kosmischen Mikrowellenhintergrunds am Himmel deutet darauf hin, dass sich das Universum in diesen frühen Tagen schnell und mit gleicher Geschwindigkeit in alle Richtungen ausdehnte.

Im heutigen Universum ist dies jedoch möglicherweise nicht mehr der Fall.

„Gemeinsam mit Kollegen von der Universität Bonn und der Harvard University haben wir das Verhalten von über 800 Galaxienhaufen im heutigen Universum untersucht“, sagt Konstantinos. „Wenn die Isotropie-Hypothese richtig wäre, wären die Eigenschaften dieser Haufen über den ganzen Himmel gleichförmig. Aber wir sahen tatsächlich signifikante Unterschiede.“

Die Astronomen verwendeten Röntgen-Temperaturmessungen des extrem heißen Gases, das die Galaxienhaufen durchdringt, und verglichen die Daten damit, wie hell die Haufen am Himmel erscheinen. Haufen, auch Cluster genannt, mit gleicher Temperatur und in ähnlicher Entfernung sollten ähnlich hell erscheinen. Aber das ist nicht das, was die Astronomen beobachtet haben.

„Wir sahen, dass Cluster mit den gleichen Eigenschaften, mit ähnlichen Temperaturen, weniger hell zu sein schienen als das, was wir in einer Richtung des Himmels erwarten würden, und in einer anderen Richtung heller als erwartet“, sagt Thomas. „Der Unterschied war recht signifikant, etwa 30 Prozent. Diese Unterschiede sind nicht zufällig, sondern weisen ein klares Muster auf, das von der Richtung abhängt, in der wir am Himmel beobachtet haben.

Bevor das weithin akzeptierte kosmologische Modell, das die Grundlage für die Schätzung der Haufenabstände bildet, in Frage gestellt wurde, haben Konstantinos und seine Kollegen zunächst andere mögliche Erklärungen untersucht. Vielleicht könnte es unentdeckte Gas- oder Staubwolken geben, die die Sicht versperren und die Haufen in einem bestimmten Gebiet schwächer erscheinen lassen. Die Daten unterstützen dieses Szenario jedoch nicht.

In einigen Regionen des Weltraums könnte die Verteilung von Galaxienhaufen durch Massenströme beeinflusst werden, d.h. durch großräumige Materiebewegungen, die durch die Gravitationskraft extrem massiver Strukturen wie etwa großer Clustergruppen verursacht werden. Diese Hypothese erscheint aber auch unwahrscheinlich. Konstantinos fügt hinzu, dass die Ergebnisse das Team überrascht haben.

„Wenn das Universum wirklich anisotrop ist, und sei es auch nur in den letzten Milliarden Jahren, dann würde das einen gewaltigen Paradigmenwechsel bedeuten, denn die Richtung jedes Objekts müsste bei der Analyse seiner Eigenschaften berücksichtigt werden“, sagt er. „Zum Beispiel schätzen wir heute die Entfernung von sehr weit entfernten Objekten im Universum durch die Anwendung einer Reihe von kosmologischen Parametern und Gleichungen. Wir glauben, dass diese Parameter überall gleich sind. Aber wenn unsere Schlussfolgerungen richtig sind, dann wäre das nicht der Fall, und wir müssten alle unsere früheren Schlussfolgerungen noch einmal überdenken“.

„Das ist ein unglaublich faszinierendes Ergebnis“, kommentiert Norbert Schartel, XMM-Newton-Projektwissenschaftler bei der ESA. „Frühere Studien haben angedeutet, dass sich das gegenwärtige Universum möglicherweise nicht gleichmäßig in alle Richtungen ausdehnt, aber dieses Ergebnis – zum ersten Mal wurde ein solcher Test mit Galaxienhaufen im Röntgenlicht durchgeführt – hat eine viel größere Bedeutung und zeigt auch ein großes Potenzial für zukünftige Untersuchungen.“

Die Wissenschaftler spekulieren, dass dieser möglicherweise ungleichmäßige Effekt auf die kosmische Expansion durch dunkle Energie verursacht wird, der geheimnisvollen Komponente des Kosmos, die den Großteil – etwa 69% – seiner Gesamtenergie ausmacht. Über die dunkle Energie ist heute nur sehr wenig bekannt, außer, dass sie offenbar die Expansion des Universums in den letzten Milliarden Jahren beschleunigt hat.

Das geplante ESA-Teleskop Euclid, das Milliarden von Galaxien abbilden und die Ausdehnung des Kosmos, seine Beschleunigung und die Beschaffenheit der dunklen Energie untersuchen soll, könnte in Zukunft zur Lösung dieses Rätsels beitragen.

„Die Ergebnisse sind wirklich interessant, aber die in die Studie einbezogene Stichprobe ist noch relativ klein, um solch tiefgreifende Schlussfolgerungen zu ziehen“, sagt René Laureijs, Euclid-Projektwissenschaftler bei der ESA. „Das ist das Beste, was man mit den verfügbaren Daten machen kann, aber wenn wir das weithin akzeptierte kosmologische Modell wirklich überdenken würden, bräuchten wir mehr Daten.“

Und Euclid könnte genau das tun. Der Satellit, der 2022 gestartet werden soll, könnte nicht nur Beweise dafür finden, dass die dunkle Energie das Universum wirklich ungleichmäßig in verschiedene Richtungen ausdehnt, sondern wird den Wissenschaftlern auch ermöglichen, mehr Daten über die Eigenschaften einer großen Anzahl von Galaxienhaufen zu sammeln, die die derzeitigen Erkenntnisse unterstützen oder widerlegen könnten.

Weitere Daten werden demnächst auch von dem vom Max-Planck-Institut für Extraterrestrische Physik gebauten Röntgeninstrument eROSITA kommen. Das Instrument an Bord des kürzlich gestarteten deutsch-russischen Satelliten Spektr-RG wird die erste vollständige Himmelsdurchmusterung im mittleren Röntgenbereich durchführen und sich auf die Entdeckung Zehntausender bisher unbekannter Galaxienhaufen und aktiver galaktischer Zentren konzentrieren.

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• Expansion des Universums

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Quelle: AIP.

Das Weltraumteleskop XMM-Newton startete am 10. Dezember 1999 erfolgreich von Kourou in Französisch-Guayana ins All und zeichnet seit dem 19. Januar 2000 Daten auf. Das europäische Konsortium XMM-Newton Survey Science Centre (XMM-SSC) gab nun neue mit modernster Kalibrierung und Software aufbereitete Kataloge heraus, die alle Röntgendetektionen seit dem Start enthalten. Das AIP ist seit Beginn Mitglied dieses Konsortiums, steuert die Software zur Suche nach den Röntgenobjekten bei und produziert federführend einen der Kataloge.

XMM-Newton hat insgesamt 810.795 Röntgenquellen in Einzelbeobachtungen detektiert. Die meisten davon sind Neuentdeckungen und oft von unbekannter, aber unterschiedlicher Natur. Da einige Regionen des Himmels mehrfach beobachtet wurden, ergeben sich über 550.000 einzelne Himmelsobjekte.

Bei den meisten Objekten handelt es sich um supermassereiche Schwarze Löcher, die zwischen einer Million und einer Milliarde mal schwerer sind als unsere Sonne, und von denen sich jedes im Zentrum seiner eigenen Galaxie befindet. XMM-Newton erfasst mit seinem Röntgenauge die Materie, die um diese unsichtbaren Objekte herumwirbelt, bis sie den Ereignishorizont des Schwarzen Lochs erreicht – jene Grenze ohne Wiederkehr, an der nicht einmal Licht dem Sog des Schwarzen Lochs entkommen kann. Andere im Katalog enthaltene Objekte sind Sterne, Galaxienhaufen, Kometen oder Supernovae.

Axel Schwope, Projektleiter am AIP, erklärt begeistert: „Mit Röntgenaugen entdecken wir den Teil des Universums, der durch extrem energetische Prozesse und extrem hohe Temperaturen dominiert und für unsere Augen unsichtbar ist. Es ist faszinierend zu erleben, dass selbst nach 20 Jahren im All XMM-Newton Tag für Tag erstklassige Beobachtungsdaten für alle möglichen Bereiche der Astrophysik liefert.“

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern des AIP erstellten darüber hinaus einen weiteren Katalog mit Informationen aus sich überschneidenden Beobachtungen. Eine speziell für diesen Zweck entwickelte Software ermöglicht es, auch schwache Quellen in mehrfach beobachteten Himmelsbereichen zu erkennen. Dadurch erhöht sich die Anzahl der entdeckten Röntgenquellen. Zudem lässt sich nachvollziehen, ob und wie Objekte im Laufe der Zeit ihre Helligkeit verändern.

„Die Untersuchung von Objekten über einen Zeitraum von fast zwanzig Jahren gewährt uns einen großartigen Einblick in ihre Natur. Helligkeitsänderungen im Röntgenlicht lassen beispielsweise Rückschlüsse darauf zu, wie völlig unterschiedliche Objekte Materie aus ihrer Umgebung aufsammeln. Sie können von Sternen stammen, die in der Nähe Schwarzer Löcher zerrissen werden, und sind teilweise noch nicht verstanden“, erklärt Iris Traulsen, Wissenschaftlerin am AIP und zuständig für den Katalog.

Die Kataloge ermöglichen Astronominnen und Astronomen, hochenergetische Objekte zu untersuchen, die für uns Menschen oft nicht sichtbar sind. Die bisher von XMM-Newton sehr detailliert durchmusterte Himmelsfläche entspricht etwa dem 6.000-fachen der Fläche des Vollmondes, was immer noch nur ein Vierzigstel des gesamten Himmels ist. Röntgenbeobachtungen helfen in allen Teilen der Astrophysik, hochenergetische Prozesse zu entdecken und zu verstehen: von den Bedingungen in der Umgebung extrasolarer Planeten über die Entwicklung von Sternen, Schwarzen Löchern und Galaxien bis hin zur Untersuchung von heißem Gas in Galaxienhaufen und großen Strukturen im Universum.

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• XMM-Newton

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Quelle: Airbus Defence and Space.

Eine der erfolgreichsten europäischen Weltraummissionen feiert Geburtstag: Das von Airbus für die Europäische Weltraumorganisation ESA entwickelte und gebaute Röntgenobservatorium XMM-Newton startete am 10. Dezember 1999 um 15:32 Uhr MEZ, um die Wunder des Röntgenuniversums zu erforschen. Seit dem Start, hat XMM-Newton gleichzeitig Röntgenstrahlen, sichtbares und ultraviolettes Licht beobachtet und seine Rolle als eines der wichtigsten astronomischen Observatorien aller Zeiten unter Beweis gestellt. Der Satellit entdeckte mehr Röntgenquellen als jeder andere Satellit zuvor. Er hilft dabei, kosmische Rätsel zu lösen, von dem, was in und um Schwarze Löcher geschieht, bis zur Bildung von Galaxien im frühen Universum. XMM-Newton hat seine ursprüngliche Einsatzzeit von zehn Jahren verdoppelt. Aufgrund des überwältigenden wissenschaftlichen Erfolgs und des exzellenten Zustands des Teleskops wurde die Mission Jahr um Jahr von der ESA verlängert. So ist ein Betrieb aus technischer Sicht bis über das Jahr 2030 hinaus durchaus möglich.

Das Interesse an Beobachtungen mit dem europäischen Weltraumteleskop ist ungebrochen. So wird jedes Jahr bis zu sieben Mal mehr Beobachtungszeit beantragt, als überhaupt zur Verfügung steht. Mit dieser Überbuchungsrate befindet sich XMM-Newton auf demselben Niveau wie das Weltraumteleskop Hubble.

Die Ergebnisse von XMM Beobachtungen sind auch Teil zahlreicher Doktorarbeiten. Diese akademischen Arbeiten basieren sowohl auf wissenschaftlichen Ergebnissen (unter Verwendung von XMM-Newton Beobachtungen und numerischen Vorhersagen) als auch auf „technischer“ Arbeit (Hardware- und Softwareentwicklung, Kalibrierung oder Betrieb). Seit dem Missionsstart im Jahr 1999 wurden fast 400 Doktorarbeiten mit Ergebnissen oder Erkenntnissen des XMM-Satelliten verfasst. Insgesamt wurden mehr als 6.200 wissenschaftliche „XMM-Arbeiten“ veröffentlicht.

Aber nicht nur aus wissenschaftlicher Sicht ist XMM-Newton ein herausragender Erfolg, sondern auch in technologischer Hinsicht und bei der Projektabwicklung, denn: Das Vorhaben wurde in nur 38 Monaten realisiert. Der XMM-Newton-Satellit entstand unter der Leitung von Airbus in Friedrichshafen, wobei das Bahn- und Lageregelungssystem (AOCS) von Airbus UK entwickelt wurde und Airbus in Spanien die Strukturen des Service-Moduls, das Focal Plane Assembly (FPA), das Thermalkontrollsystem und den Kabelbaum (Harness) beisteuerte. Insgesamt gehörten 45 europäische Firmen und eine US-amerikanische zum Industriekonsortium.

XMM-Newton, aufgrund der schwarzen Thermalschutzfolie von seinen Erbauern auch liebevoll „Schwarze Schönheit“ genannt, besteht aus drei parallel zueinander montierten zylindrischen Spiegelsystemen, die die Röntgenstrahlung in die drei Brennebenen bündeln. Das ermöglicht es Himmelskörper gleichzeitig mit drei Kameras sowie zwei Spektrometern zu beobachten. Letztere zerlegen Röntgenstrahlung auf ähnliche Weise wie Glas-Prismen das Sonnenlicht in seine Spektralfarben auffächert. Aus den Röntgen-„Farben“ können die Astronomen wichtige physikalische Größen, wie Temperatur, Dichte, relative Bewegung entnehmen oder die chemische Zusammensetzung der Materie ermitteln.

Röntgenstrahlung ist, genau wie Licht, eine Form von elektromagnetischer Strahlung, jedoch hunderte bis tausende Male energiereicher. Sie wird von Körpern oder Gasen abgestrahlt, die zwischen einer Million und hundert Millionen Grad Celsius heiß sind. Mit XMM-Newton beobachten Astronomen also den heißen Teil des Universums.

XMM-Newton legt in seiner 48-Stunden-Umlaufbahn fast ein Drittel der Entfernung zum Mond zurück. Am äußersten Punkt (Apogäum) von 114 000 Kilometern Entfernung von der Erde bewegt sich der Satellit sehr langsam. Den erdnächsten Punkt (Perigäum) passiert es 7.000 Kilometer über der Erde mit 24.120 Stundenkilometern viel schneller. Die hochexzentrische Umlaufbahn von XMM-Newton wurde so gewählt, dass seine Instrumente außerhalb der die Erde umgebenden Strahlungsgürtel arbeiten können. Da die Erdatmosphäre alle Röntgenstrahlen blockiert, kann nur ein Teleskop im Weltraum himmlische Röntgenquellen erkennen und untersuchen.

XMM-Newton „zielt“ über lange Zeiträume (oft mehr als zehn Stunden) auf entfernte Röntgenquellen. Eine der Hauptanforderungen des Satelliten war deshalb seine sehr hohe Ausrichtgenauigkeit und -stabilität. XMM-Newton kann seine Ausrichtung äußerst präzise steuern, und zwar mit Hilfe von zwei Sätzen von vier kleinen Triebwerken und vier auf dem Satelliten montierten Schwungrädern.

Die „Zielgenauigkeit“ des zehn Meter langen XMM-Newton beträgt 0,25 Bogensekunden über einen Zeitraum von 10 Sekunden. Dies entspräche dem Anschauen einer Melone mit einem in der Hand gehaltenen Fernglas aus einer Entfernung von 300 Kilometern und das ohne das geringste Wackeln!

Über Airbus
Airbus ist ein weltweit führendes Unternehmen im Bereich Luft- und Raumfahrt sowie den dazugehörigen Dienstleistungen. Der Umsatz betrug € 64 Mrd. im Jahr 2018, die Anzahl der Mitarbeiter rund 134.000. Airbus bietet die umfangreichste Verkehrsflugzeugpalette. Das Unternehmen ist europäischer Marktführer bei Tank-, Kampf-, Transport- und Missionsflugzeugen und eines der größten Raumfahrtunternehmen der Welt. Die zivilen und militärischen Hubschrauber von Airbus zeichnen sich durch hohe Effizienz aus und sind weltweit gefragt.

XMM-Newton auf einen Blick

• Länge: 10,80 Meter
• Gewicht: 3,8 Tonnen
• Durchmesser: 4,60 Meter
• Spannweite: 16,10 Meter
• Nominelle Lebensdauer: 2 Jahre, geplante Einsatzzeit: 10 Jahre
• Start: 10. Dezember 1999, 15:32 Uhr (MEZ)
• Launcher: Ariane 5 (Vol 504) – der erste kommerzielle Flug der AR 5
• Startplatz: Kourou, Französisch-Guyana
• Umlaufbahn: 48 Stunden, elliptisch, 7.000km/114.000 km
• Öffnen der Teleskope: 17./18. Dezember 1999
• Erste wissenschaftl. Daten: 19. Januar 2000
• Gesamtkosten des Programms: 689 Mio. Euro; Kosten Satellit: 230 Mio. Euro.

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• XMM-Newton

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Quelle: Max-Planck-Gesellschaft.

20. März 2019 Materie und Energie, die aus dem Zentrum einer Galaxie abfließen, gelten als wichtige Akteure bei der Entstehung und Entwicklung von Sternsystemen und anderen Strukturen im Universum. Astronomen unter der Leitung des Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik in Garching haben nun im Röntgenlicht zwei breite Kamine aus Gas entdeckt, welche die inneren Bereiche des Zentrums der Milchstraße nördlich und südlich der galaktischen Ebene mit Strukturen viel weiter außen verbinden.

Unsere Milchstraße ist eine eher ruhige Galaxie, gigantische Energieausbrüche aus ihrem Herzen sind selten. Dennoch haben Astronomen bereits vor längerem nahe dem galaktischen Zentrum, das durch die Radioquelle Sagittarius A* gekennzeichnet ist, bipolare Ausbuchtungen nachgewiesen. Diese Flügel oder Lobes sind sowohl im Radio- als auch im Röntgenlicht zu sehen. Sie zeigen Ausflüsse aus dem Zentrum und reichen bis zu Entfernungen von lediglich etwa 50 Lichtjahren.

Viel weiter draußen existieren die ebenfalls schon seit einiger Zeit bekannten beiden Fermiblasen, welche die Strahlung von relativistisch bewegten Teilchen im Gammalicht nachzeichnen und sich jeweils etwa 25.000 Lichtjahre weit über die galaktische Ebene hinaus erstrecken. In der Vergangenheit müssen in unserer Galaxie also offenbar große Energiemengen freigesetzt worden sein.

Die von dem Team nun gefundenen beiden markanten Röntgenstrukturen, von den Forschern „Kamine“ genannt, scheinen die Flügel in den inneren Regionen des galaktischen Herzens mit den Fermiblasen zu verbinden. „Vor ein paar Jahren haben wir mit Röntgenbeobachtungen direkt über dem galaktischen Zentrum eine überdichte Region aus heißem Plasma entdeckt. Daher wollten wir mit dem europäischen Röntgensatelliten XMM-Newton jetzt einen viel größeren Bereich scannen,“ sagt der frühere Max-Planck-Forscher Gabriele Ponti, Hauptautor der in der Zeitschrift Nature veröffentlichten Arbeit.

Tatsächlich konnten die Wissenschaftler mit ihren neuen Messungen nicht nur die Existenz dieses heißen Plasmas eindeutig bestätigen, sondern auch seine Form und Beschaffenheit bestimmen. Zudem entdeckten sie die Kamine, die sich über Hunderte von Lichtjahren nördlich und südlich des galaktischen Zentrums erstrecken. Dies werten die Forscher als deutlichen Hinweis darauf, dass die beide Strukturen einen gemeinsamen Ursprung haben müssen.

Wahrscheinlich bestehen sie aus Gas, dass in einem schnellen und kalten Strom beidseits und senkrecht zur galaktischen Ebene ausgestoßen wird. Dieser Abfluss könnte entweder von Sternen stammen, die durch das massereiche schwarze Loch im Herzen unserer Galaxie zerrissen werden, oder von Supernova-Explosionen im zentralen Sternhaufen. Derartige Ereignisse könnten kontinuierlich Energie und Masse aus dem Zentrum blasen und diese weiter bis zu den Fermiblasen transportieren.

„Die Kamine sind etwa zylindrisch geformt und in vertikaler Richtung scharf abgegrenzt. Höchstwahrscheinlich werden sie durch einen magnetischen Druck eingedämmt“, sagt Florian Hofmann vom Garchinger Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik. Zudem seien die beiden Kamine nicht streng symmetrisch: „Das ist vermutlich eine Folge des galaktischen Wetters, gleichsam ein Wechselspiel mit lokalen Wolken des interstellaren Mediums“, so Hofmann.

Laut Eugene Churazov vom Max-Planck-Institut für Astrophysik erinnern die Fermiblasen an Strukturen, die durch sehr energiereiche Ausflüsse von den supermassereichen schwarzen Löchern in Galaxienhaufen gebildet werden. „Hingegen lässt das Aussehen der Kamine auch die Möglichkeit offen, dass weniger energiereiche Prozesse eine Rolle spielen“, sagt Churazov.

Über den Entstehungmechanismus der beiden neu entdeckten Kamine rätseln die Forscher noch. Sind sie eine Fortsetzung der inneren Flügel? Auf jeden Fall werfen sie ein neues Licht darauf, wie die Aktivität im Kern der Milchstraße mit makroskopischen Strukturen auf galaktischer Ebene zusammenhängt und wie diese wahrscheinlich sogar die Entstehung und Entwicklung unserer Galaxie beeinflussen.

Originalveröffentlichung:

• G. Ponti, F. Hofmann, E. Churazov, M. R. Morris, F. Haberl, K. Nandra, R. Terrier, M. Clavel & A. Goldwurm: An X-ray chimney extending hundreds of parsecs above and below the Galactic Centre (Nature Letter, 21. März 2019)

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Ein Beitrag von Ralph-Mirko Richter. Quelle: Leibniz-Institut für Astrophysik, ESA.

Obwohl sich der im Sternbild Großer Hund (lat. Name „Canis Major“) gelegene Stern Xi1 in einer Entfernung von rund 1.500 Lichtjahren zu unserem Sonnensystem befindet kann er dennoch bereits mit dem bloßen Auge am Nachthimmel beobachtet werden. Der Grund hierfür ist die hohe Temperatur von fast 28.000 Grad Celsius, welche auf der Sternoberfläche herrscht und die damit fast fünf mal höher ausfällt als die Temperatur auf der Sonnenoberfläche. Im Jahr 2009 entdeckte ein von Dr. Swetlana Hubrig vom Leibniz-Institut für Astrophysik (AIP) in Potsdam geleitetes Team, dass Xi1 über ein außergewöhnlich starkes Magnetfeld verfügt, welches 5.000-mal stärker ausfällt als das Magnetfeld der Sonne.

Bereits seit etwa einem Jahrhundert ist außerdem bekannt, dass ‚Xi1 Canis Majoris‘ – so der vollständige Name des Sterns – seine Helligkeit in regelmäßigen Abständen verändert. Über einen Zeitraum von etwas mehr als fünf Stunden steigt die Helligkeit des Sterns dabei von einem Wert von 4,33 mag auf einen Wert von 4,36 mag an und fällt dann wieder ab. Der Stern, welcher über die Spektralklasse „B1 III“ verfügt und in etwa die fünfzehnfache Masse der Sonne besitzt, gehört somit der Klasse der Beta-Cephei-Sterne an.

Da der Stern nicht nur im Bereich des optischen Lichts hell aufleuchtet, sondern auch eine stellare Röntgenquelle darstellt, geriet er in der Vergangenheit mehrfach in den Fokus des von der europäischen Weltraumorganisation ESA betriebenen Weltraumobservatoriums XMM-Newton, welches für Beobachtungen im Röntgen-Bereich ausgelegt ist. Unter anderem erfolgte dabei im Oktober 2012 eine 29 Stunden andauernde Beobachtungskampagne.

Bei der Auswertung der dabei gewonnenen Daten entdeckten die beteiligten Wissenschaftler aus Deutschland, Belgien und den USA, dass Xi1 nicht einfach nur Röntgenstrahlung abgibt, sondern dass der Stern vielmehr auch im Bereich der Röntgenstrahlung in regelmäßigen Abständen pulsiert. Derartige Pulsationen wurden zuvor noch nie bei einem ’normalen‘ Stern beobachtet.

„Bis jetzt können wir die physikalischen Vorgänge, welche diese Pulsation hervorrufen, nicht erklären“ so Dr. Lidia M. Oskinova von der Universität Potsdam, die Leiterin der entsprechenden Beobachtungskampagne.

Bisher waren ausschließlich Neutronensterne und Weiße Zwerge dafür bekannt, dass sie Röntgenpulse aussenden. Die physikalischen Mechanismen, welche in solchen kosmischen Objekten aus superdichter Materie wirken, sind allerdings nicht auf Xi1 übertragbar, da dieser Stern nur aus Materie besteht, die eine für stellare Objekte normale Dichte aufweist.

Die Temperatur des Sterns ist dabei nicht hoch genug, um dessen Aktivität im Röntgenbereich auszulösen. Eine mögliche Erklärung, so die Wissenschaftler, sei jedoch, dass die Röntgenstrahlung durch Stoßwellen im Magnetfeld des Sterns verursacht wird. Die Astronomen erhofften sich weitere Hinweise auf das ungewöhnliche Verhalten von Xi1 aus der Tatsache, dass der Stern auch im Bereich des sichtbaren Lichts pulsiert. Das Team hat deshalb die optischen Daten mit den Röntgenbeobachtungen von XMM-Newton abgeglichen und tatsächlich eine Übereinstimmung gefunden.

Damit zeigte sich zugleich, dass die Prozesse, welche im Sternwind und im Inneren eines Sterns ablaufen, anscheinend viel enger miteinander verknüpft sind als bislang angenommen wurde. Von ihrer bestehenden und zukünftigen Zusammenarbeit bei Beobachtungskampagnen und bei den Arbeiten zur Entwicklung spezieller Modelle für Sternwinde und Magnetosphären erhoffen sich die Wissenschaftler des AIP und der Universität Potsdam auch die endgültige Lösung des Rätsels um den neu entdeckten stellaren Röntgenpulsar Xi1 Canis Majoris.

Über ihre Beobachtungen berichteten die Wissenschaftler kürzlich unter dem Titel „Discovery of X-ray pulsations from a massive star“ in der Fachzeitschrift „Nature Communications“.

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• Neutronensterne, Pulsare, Magnetare

Fachartikel von Lidia M. Oskinova et al.:

• Discovery of X-ray pulsations from a massive star (Abstract, engl.)

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