Discovery of Three Glitches in the previously quiet pulsar PSR J1637$-$4642

Tief im Kosmos, rotierend wie kosmische Leuchttürme, befinden sich Neutronensterne. Dies sind die kollabierten Kerne massiver Sterne, die explodiert sind und Objekte hinterlassen haben, die so dicht sind, dass ein einziger Teelöffel ihres Materials auf der Erde Milliarden Tonnen wiegen würde. Während sie rotieren, senden sie Strahlungsstrahlen aus, die mit der Präzision einer Uhr über den Himmel streifen. Seit Jahrzehnten nutzen Astronomen diese himmlischen Zeitmesser, um die Gesetze der Physik zu testen, aber die faszinierendsten sind die jungen, energiereichen Sterne, die sich manchmal erratisch verhalten. Gelegentlich beschleunigt ein Neutronenstern seine Rotation plötzlich in einem winzigen, scharfen Stoß, der als Glitch bekannt ist. Dieses Phänomen ist kein Defekt, sondern ein Hinweis auf das verborgene Inneres des Sterns. Wissenschaftler glauben, dass im Inneren dieser Sterne eine Superflüssigkeit – eine Substanz, die völlig ohne Reibung fließt – neben der festen Kruste existiert. Wenn die feste Kruste sich im Laufe der Zeit natürlich verlangsamt, behält die reibungsfreie Superflüssigkeit im Inneren ihre ursprüngliche Geschwindigkeit bei. Schließlich geraten die beiden aus dem Takt, und die Superflüssigkeit überträgt plötzlich einen Teil ihrer Geschwindigkeit auf die Kruste, was den Stern schneller rotieren lässt. Durch das Studium dieser Glitches können Forscher in einen Stern blicken, den sie niemals berühren können, und etwas über den seltsamen Materiezustand lernen, der nur unter solchem extremen Druck existiert.

Viele Jahre lang galt ein particular Neutronenstern namens PSR J1637–4642 als ungewöhnlich ruhig. Dieser junge Stern, der in einem Survey mit dem Parkes-Radioteleskop in Australien entdeckt wurde, war über ein Jahrzehnt lang regelmäßig überwacht worden, ohne Anzeichen dieser plötzlichen Beschleunigungen zu zeigen. Er war Teil einer Gruppe von Pulsaren, die scheinbar gleichmäßig abbremsten und keine dramatischen Ereignisse zur Untersuchung boten. Eine neue Analyse von Daten, die zwischen 2009 und 2024 gesammelt wurden, hat dieses ruhige Bild jedoch umgestoßen. Forscher haben nun entdeckt, dass dieser zuvor als „ruhig“ geltende Stern in diesem Zeitraum tatsächlich drei distinkte Glitches erlebt hat. Das erste und kraftvollste Ereignis ereignete sich um Anfang 2019, wobei die Rotationsfrequenz des Sterns um einen winzigen, aber messbaren Betrag sprang. Zwei kleinere, subtilere Sprünge folgten, einer im Jahr 2022 und ein weiterer im Jahr 2024. Die Tatsache, dass diese Ereignisse in einem Stern gefunden wurden, der zuvor als inaktiv galt, deutet darauf darauf hin, dass selbst die friedlichsten Neutronensterne erhebliche interne Aktivitäten beherbergen können, die nur darauf warten, den aufgebauten Stress freizusetzen.

Das Team hinter dieser Entdeckung, das an der Xiamen University in China ansässig ist, verbrachte Jahre damit, die Daten des Parkes-Teleskops, das nun Murriyang genannt wird, zu verfeinern. Sie mussten jahrelange Beobachtungen sorgfältig durchsieben, Veränderungen in der Ausrüstung des Teleskops berücksichtigen und Interferenzen durch die eigenen Radiosignale der Erde herausfiltern. Ihre Arbeit ergab, dass der erste Glitch ein bedeutendes Ereignis war, das zu einer plötzlichen Erhöhung der Rotationsrate führte, die etwa eine Million Mal größer war als die der anderen beiden. Nach diesem großen Sprung kehrte die Rotation des Sterns nicht sofort zu ihrem alten Tempo zurück. Stattdessen zeigte sie eine langsame, exponentielle Erholung über einen Zeitraum von etwa 100 Tagen und pendelte sich allmählich wieder auf einen neuen, etwas schnelleren Rhythmus ein. Die zwei kleineren Glitches hingegen waren so subtil, dass die Rotation des Sterns ihre neue Geschwindigkeit anscheinend sofort erreichte und dort blieb, ohne eine nachweisbare Verlangsamung danach. Dieser Unterschied im Verhalten gab den Wissenschaftlern die einzigartige Gelegenheit, das Geschehen im Inneren des Sterns zu modellieren.

Durch Anwendung eines physikalischen Modells, das beschreibt, wie sich eine Superflüssigkeit im Inneren des Sterns bewegt, konnten die Forscher die Größe der beteiligten Superflüssigkeitsregion abschätzen. Ihre Berechnungen legen nahe, dass der Teil des Sterninneren, der an der Beschleunigung teilnahm, etwa 1,9 Prozent der Gesamtmasse des Sterns ausmacht. Dieser Anteil stimmt perfekt mit theoretischen Vorhersagen für eine Schicht aus superfluiden Neutronen überein, die sich direkt unter der festen Kruste des Sterns befindet. Das Modell deutete auch darauf hin, dass die Innentemperatur des Sterns wahrscheinlich bei etwa einhundert Millionen Grad liegt, ein Wert, der konsistent mit dem Alter des Sterns und seiner Abkühlung im Laufe der Zeit ist. Die Tatsache, dass der Stern nach dem Glitch eine dauerhafte Zunahme seiner Abbremsrate zeigte, stützt ferner die Idee, dass die Superflüssigkeit und die Kruste auf eine neue Weise dauerhaft miteinander verbunden wurden.

Diese Entdeckung stellt die einfache Vorstellung infrage, dass Neutronensterne Stress auf eine vorhersehbare, stetige Weise aufbauen, bevor sie glitchen. Wäre dies der Fall, könnte man erwarten, dass Glitches in regelmäßigen Intervallen oder mit ähnlichen Größen auftreten. Stattdessen wartete PSR J1637–4642 fast zehn Jahre in der Stille und löste dann drei Ereignisse von völlig unterschiedlicher Größenordnung in schneller Folge aus. Das größte Ereignis war tausendmal größer als das kleinste, und sie traten zu unregelmäßigen Zeiten auf. Dies deutet darauf hin, dass der Prozess, der diese Glitches auslöst, komplex und vielleicht etwas zufällig ist, abhängig von den komplizierten und chaotischen Wechselwirkungen tief im Kern des Sterns. Obwohl die Forscher noch nicht vorhersagen können, wann der nächste Glitch stattfinden wird, beweist ihre Arbeit, dass selbst Sterne, die an der Oberfläche ruhig erscheinen, im Inneren dynamisch und aktiv sind. Die Studie verstärkt die Standardansicht, dass Neutronensterne Superflüssigkeiten enthalten und dass diese Flüssigkeiten der Schlüssel zum Verständnis der heftigen, plötzlichen Rotationsänderungen sind, die Astronomen in der ganzen Galaxie beobachten.