Hier Radiopulsare, dort fluktuierende Röntgendoppelsterne. Was kommt dazwischen? Eine kürzlich entdeckte Strahlungsquelle schließt nun endlich die seit langem gesuchte Lücke.
Fehlende Verbindungsglieder zwischen zwei bekannten Entwicklungsstadien machen nicht nur Evolutionsbiologen das Leben schwer. Auch Astronomen kennen zahlreiche solcher „Missing Links“ im existierenden Universum. Diese Lücken gilt es durch akribische Beobachtungen zu schließen, um gängige Theorien abzusichern oder in Frage zu stellen. Ein solches seit langem gesuchtes Bindeglied in Gestalt eines schnell rotierenden Neutronensterns hat nun eine internationale Forschergruppe aufgespürt.
Massereiche Sterne beenden ihr normales Sternleben mit einer Supernova-Explosion, bei der unter anderem ein Neutronenstern zurückbleiben kann. Ein derartiges nur ein paar Dutzend Kilometer großes Objekt enthält ungeachtet seiner – nach astronomischen Maßstäben – extremen Winzigkeit zwischen dem Anderthalb- und Vierfachen der Sonnenmasse.
Kosmische Pirouette
Ein frisch geborener Neutronenstern dreht sich einige Dutzend Mal pro Sekunde um die eigene Achse. Dabei wirkt das mitrotierende Magnetfeld wie ein extrem starker Teilchenbeschleuniger, der elektrisch geladene Teilchen in der Umgebung auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und zur Aussendung elektromagnetischer Strahlung zwingt. Diese stark gebündelte Synchrotronstrahlung – in Form von Radiostrahlung, sichtbarem Licht oder Röntgenstrahlung – streift ähnlich wie der Lichtkegel eines Leuchtturms durch den umgebenden Weltraum. Wird die Erde von der Strahlung getroffen, registrieren die Astronomen regelmäßig auftretende Strahlungsblitze. Der erste dieser als Pulsare bezeichneten rotierenden Neutronensterne – das Objekt mit der Bezeichnung PSR B1919+21 – wurde 1967 anhand seiner gepulst erscheinenden Radiosignale entdeckt.
Strahlungspulse im Millisekundentakt
Fünfzehn Jahre später fanden die Astronomen einen ersten Millisekundenpulsar, ein Objekt, das fast sechshundertfünfzigmal in der Sekunde herumwirbelt. Eine solch rasche Rotation konnte nicht im Zuge des Sternkollapses einer Supernova erreicht worden sein. Vielmehr musste der Neutronenstern nachträglich beschleunigt worden sein. Eine Erklärung dafür war bald gefunden: Als Partner eines Doppelsternsystems hatte der Pulsar mit der Bezeichnung PSR B1937+21 im Laufe von Zehntausenden von Jahren immer wieder Materie von seinem Begleiterstern übernehmen können, die dieser im Zuge seiner Entwicklung zu einem roten Riesenstern allmählich verloren hatte. Und weil durch den Materiestrom auch Drehimpuls von dem alternden Stern zum Pulsar übertragen wurde, war die Rotation des Neutronensterns im Lauf der Zeit immer schneller geworden.
Normalerweise verrät sich der Materie- und Drehimpulstransfer in einem solch ungleichen Sternpaar durch ein ganz charakteristisches Erscheinungsbild: Die überströmende Materie sammelt sich zunächst in einer flachen Zone um das Zielobjekt. Innerhalb dieser Akkretionsscheibe driften Gas und Staub wie in einem gewaltigen Strudel langsam nach innen, um schließlich auf den Pulsar herabzuregnen. Dort, wo die überströmende Materie auf die Akkretionsscheibe prallt, entsteht eine extrem heiße Region, aus der dann dauerhalft Röntgenstrahlung entweicht. Die Astronomen kennen solche veränderlichen Quellen als massearme Röntgendoppelsterne.
Fehlendes Bindungsglied gesichtet
Die Astronomengruppe um Alessandro Papitto vom Institut für Weltraumforschung in Barcelona hat jetzt im Sternbild Schütze ein Objekt aufgespürt, das als das lang gesuchte Missing Link zwischen einem solchen massenarmen Röntgendoppelstern und einem Millisekundenpulsar angesehen werden kann. Im rund 18 300 Lichtjahre entfernten Kugelsternhaufen Messier 28 stießen die Detektoren des europäischen Röntgensatelliten „Integral“ Ende März dieses Jahres auf eine veränderliche Strahlungsquelle, wie Papitto und seine Kollegen in der Zeitschrift „Nature“ (doi: 10.1038/nature12470) berichten. Bereits eine Woche später konnte aus den Daten des europäischen Röntgensatelliten XMM-Newton eine Pulsfrequenz von rund 255 Hertz abgeleitet werden. Solch rasch aufeinanderfolgende Strahlungsblitze lassen sich nur mit einem entsprechend schnell rotierenden Neutronenstern erzielen, dessen Rotationsdauer etwa 3,9 Millisekunden beträgt.
Die Position und die Rotationsdauer dieser veränderlichen Röntgenquelle stimmen mit den entsprechenden Daten des bereits aus radioastronomischen Beobachtungen her bekannten Millisekundenpulsars PSR J1824-2452 überein. Lediglich die Intensität der Röntgenstrahlung ist deutlich stärker, als man sie aufgrund der bekannten Radiopulse von schnell rotierenden Neutronensternen erwarten würde. Die registrierten Röntgenpulse können also – anders als die Radiopulse – nicht als Synchrotronstrahlung der im rotierenden Magnetfeld beschleunigten Materieteilchen erklärt werden.
Erlahmende Röntgenstrahlung
Vielmehr müssen sie von einem heißen Fleck auf der Oberfläche des rotierenden Neutronensterns selbst stammen, der beim Aufprall von Materie aus der Akkretionsscheibe entstanden ist. Dafür spricht nach Ansicht von Pappito und seinen Kollegen auch die vergleichsweise rasche Abnahme der Intensität der Röntgenpulse innerhalb weniger Wochen. Ein Blick in die Datenarchive zeigt zudem, dass im Jahr 2008 bereits ein ähnlicher Ausbruch im Röntgenbereich stattgefunden hat.
Damit erweist sich das Objekt PSR J1824-2425 als Beispiel für den vermuteten Übergang von einem massearmen Röntgendoppelstern zu einem Millisekundenpulsar. Die bereits recht kurze Rotationsdauer von rund 3,9 Millisekunden lässt vermuten, dass der Neutronenstern schon viel Materie von seinem Begleiter übernommen hat. Sein starkes Magnetfeld reicht offenkundig dazu aus, den vielleicht schon allmählich versiegenden Nachschub über längere Zeit abzuschirmen und nur noch gelegentlich auf die Oberfläche des Neutronensterns „tröpfeln“ zu lassen, was dann zu den vereinzelt auftretenden Röntgenpuls-Phasen führt.