On Bimodality in the Eccentricity Distribution of Galactic Double Neutron Stars

Stellen Sie sich das Universum als eine kosmische Tanzfläche vor, auf der Sterne die Tänzer sind. Manchmal werden zwei massereiche Sterne gemeinsam geboren, gefangen in einer engen Umarmung, während sie ein gemeinsames Zentrum der Schwerkraft umkreisen. Während sie altern, durchlaufen sie dramatische Verwandlungen: Sie blähen sich zu riesigen roten Monstern auf, streifen Schichten ihrer Haut ab, und schließlich könnte einer oder beide von ihnen in einer spektakulären Supernova explodieren, wobei ein winziger, unglaublich dichter Kern namens Neutronenstern zurückbleibt. Diese Neutronensterne sind wie kosmische Leuchttürme, die so schnell rotieren, dass sie Radiowellen quer durch die Galaxie strahlen. Wenn zwei von ihnen schließlich in einer Umlaufbahn umeinander kreisen, bilden sie ein „Doppelneutronenstern-System“.

Wissenschaftler beobachten diese kosmischen Paare seit Jahrzehnten. Dabei ist ihnen etwas Seltsames an ihrer Bewegung aufgefallen. Die meisten dieser Paare kreisen in nahezu perfekten Kreisen umeinander, während andere auf sehr langgestreckten, ovalen Pfaden umherrasen. Aber es gibt eine seltsame Lücke in der Mitte: Es werden fast keine Paare mit einer „mittleren“ ovalen Form gefunden. Es ist, als gäbe es auf der Tanzfläche eine verbotene Zone, in der keine Paare tanzen dürfen. Das Verständnis darüber, warum diese Lücke existiert, ist wie das Finden des fehlenden Puzzleteils, das erklärt, wie Sterne leben, sterben und miteinander interagieren. Wenn wir dies lösen können, lernen wir mehr über die gewaltsamen Explosionen, die diese dichten Überreste erschaffen, und darüber, wie die Gravitation das Universum formt.

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Das Rätsel der fehlenden Mitte

In einer neuen Studie schlägt ein Team von Astronomen eine clevere Erklärung für diesen fehlenden Mittelgrund im Tanz der Doppelneutronensterne vor. Sie vermuten, dass die Lücke nicht zufällig ist, sondern das Ergebnis eines spezifischen „Schalters“ in der Art und Weise, wie Sterne zu Neutronensternen werden, kombiniert mit einem sehr sanften Stoß während der finalen Explosion.

Um ihre Idee zu verstehen, stellen Sie sich eine Fabrik vor, die winzige, schwere Gewichte (Neutronensterne) aus größeren Blöcken aus Material (Progenitorsterne) baut. Normalerweise würde man erwarten, dass man, wenn man mit einem etwas größeren Block beginnt, ein etwas schwereres Gewicht erhält. Es ist eine glatte, gerade Linie. Aber dieses Team legt nahe, dass diese spezifischen Sterne eine Fehlfunktion in der Fabrik haben. Es gibt eine bestimmte Größe des Ausgangsblocks, bei der sich die Regeln plötzlich ändern. Wenn der Block nur ein winziges Stück kleiner als diese Größe ist, produziert die Fabrik ein leichtes Gewicht. Wenn er nur ein winziges Stück größer ist, produziert die Fabrik plötzlich ein viel schwereres Gewicht. Es wird kein „mittleres“ Gewicht dazwischen produziert; die Maschine überspringt diesen Bereich einfach.

Der sanfte Stoß

Stellen Sie sich nun vor, dass der zweite Stern des Paares kurz vor seiner Explosion steht. Wenn er „boom“ macht, erhält er normalerweise einen heftigen Kick, wie eine Kanonenkugel, die aus einer Kanone abgefeuert wird. Dieser Kick sowie die Masse, die während der Explosion verloren geht, bestimmen, wie oval die neue Umlaufbahn wird.

Die Autoren schlagen vor, dass der zweite Stern in diesen Doppelneutronenstern-Systemen einen sehr kleinen, fast nicht existenten Kick erhält. Da der Kick so schwach ist, wird die Form der Umlaufbahn fast ausschließlich durch die Menge der bei der Explosion verloren gegangenen Masse bestimmt. Hier kommt der „Fabrikfehler“ ins Spiel:

• Wenn der Stern gerade unter der kritischen Größe lag, verliert er eine geringe Menge an Masse, was zu einer nahezu kreisförmigen Umlaufbahn (geringe Exzentrizität) führt.
• Wenn der Stern gerade über der kritischen Größe lag, verliert er eine enorme Menge an Masse, was zu einer sehr langgestreckten Umlaufbahn (hohe Exzentrizität) führt.
• Da die Fabrik die „mittlere“ Größe überspringt, überspringt sie auch die „mittlere“ Menge an Massenverlust. Folglich überspringt sie auch die „mittlere“ ovale Form.

Dies erzeugt eine natürliche Lücke in den Daten, die exakt dem seltsamen Muster entspricht, das Astronomen am Himmel beobachten.

Die Theorie testen

Die Forscher haben nicht nur geraten; sie haben eine massive Computersimulation namens COMPAS durchgeführt, um zu sehen, ob diese Idee standhält. Sie programmierten die Simulation so, dass sie diese „kaputte“ Fabrikregel verwendet (bei der die Masse des Neutronensterns plötzlich springt), und gaben dem zweiten explodierenden Stern fast keinen Kick.

Das Ergebnis? Die Simulation erzeugte eine Population von Doppelneutronensternen, die den realen Beobachtungen verblüffend ähnlich sah. Sie erzeugte zwei deutlich unterscheidbare Gruppen: eine mit kreisförmigen Umlaufbahnen und eine mit hochgradig ovalen Umlaufbahnen, mit einem klaren leeren Raum in der Mitte, in dem keine Systeme existierten. Dies deckt sich mit den realen Daten, die 21 Systeme mit geringen Exzentrizitäten (weniger als 0,4) und acht mit hohen Exzentrizitäten (größer als 0,58) zeigen, aber fast nichts dazwischen.

Was das Paper sagt (und nicht sagt)

Die Autoren weisen vorsichtig darauf hin, dass dies eine Vermutung auf Basis von Simulationen ist und kein endgültiger Beweis. Sie argumentieren explizit gegen die Idee, dass die Lücke durch eine glatte, kontinuierliche Beziehung zwischen Sterngrößen und Neutronensternmassen verursacht wird – das war das Modell, das die meisten früheren Annahmen voraussetzten. Diese älteren Modelle produzieren natürlicherweise ein glattes Spektrum an Umlaufbahnen und können die Lücke nicht erklären.

Sie merken zudem an, dass dieses Szenario des „sanften Kicks“ gut zu den Beobachtungen eines berühmten Doppelpulsar-Systems (J0737-3039) passt, bei dem der Spin der Sterne darauf hindeutet, dass die zweite Explosion sehr ruhig verlief. Sie räumen jedoch ein, dass andere Systeme, wie etwa PSR B1534+12, einen etwas stärkeren Kick erfahren haben könnten, was zeigt, dass die Natur etwas komplexer sein mag als ihr einfaches Modell.

Das Fazit

Dieses Paper legt nahe, dass die seltsame „fehlende Mitte“ in den Umlaufbahnen von Doppelneutronensternenchen wahrscheinlich eine natürliche Folge davon ist, wie massereiche Sterne kollabieren. Wenn die Beziehung zwischen der Größe eines Sterns und dem Neutronenstern, zu dem er wird, einen plötzlichen Sprung aufweist und wenn die zweite Explosion sanft verläuft, sortiert das Universum diese Paare ganz natürlich in zwei Gruppen ein und lässt die Mitte leer. Während weitere Beobachtungen nötig sind, um dies zu bestätigen, bietet das Modell eine schöne, natürliche Erklärung für ein kosmisches Rätsel, das Wissenschaftler seit Jahren vor Rätsel stellt. Wie die Autoren feststellen, werden zukünftige Teleskope und mehr Daten entscheidend sein, um zu sehen, ob dieser „Fabrikfehler“ der wahre Grund hinter der Lücke ist.