Discovery of an Extremely Luminous Sporadic Radio Pulsar

Tief in der kalten, dunklen Stille des Weltraums gibt es tote Sterne, die noch immer sprechen. Dies sind Neutronensterne, die unglaublich dichten, stadtgroßen Überreste, die zurückbleiben, wenn massereiche Sterne explodieren. Die meisten von ihnen rotieren schnell und senden Radiowellen wie Leuchttürme in das Universum aus. Wenn diese Strahlen an der Erde vorbeiziehen, detektieren wir einen regelmäßigen Puls, was ihnen den Namen Pulsar einbrachte. Jahrzehntelang haben Astronomen tausende dieser kosmischen Uhren kartiert und sie genutzt, um die Gesetze der Physik zu testen und das Gefüge der Raumzeit zu vermessen. Doch nicht alle Neutronensterne sind stetige Leuchtfeuer. Einige sind erratisch, flackern in unvorhersehbaren Ausbrüchen an und aus oder verbergen ihre Signale über lange Zeiträume vollständig. Diese sind als Rotating Radio Transients, oder RRATs, bekannt. Sie sind schwer zu finden, weil sie nicht mit einem konstanten Rhythmus leuchten; stattdin flüstern sie in sporadischen, zufälligen Blitzen, die von Teleskopen, die nach stetigen Mustern suchen, leicht übersehen werden. Das Verständnis dieser schwer fassbaren Objekte ist entscheidend, da sie der Schlüssel zu einer anderen Art von kosmischem Rätsel sein könnten: Fast Radio Bursts. Dies sind kraftvolle, millisekundenlange Blitze von Radioenergie, die aus fernen Galaxien stammen, und während ihr Ursprung eines der größten Rätsel der Astronomie bleibt, vermuten viele Wissenschaftler, dass sie mit dem Verhalten dieser erratischen Neutronensterne zusammenhängen.

Ein Team von Astronomen, das das Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment nutzt – ein riesiges Radioteleskop in British Columbia –, hat nun das leuchtkraftstärkste Beispiel eines solchen erratischen Sterns entdeckt, der jemals aufgezeichnet wurde. Sie fanden einen Neutronenstern namens PSR J2108+5055, der etwa 1.600 Lichtjahre entfernt in unserer eigenen Milchstraße liegt. Dieser Stern ist ein wahrer Ausreißer. Während die meisten Pulsare einen stetigen Strom von Radiowellen aussenden, ist dieser ein sporadischer Modus-Wechsler, was bedeutet, dass er zwischen einem ruhigen Zustand, in dem er fast stumm ist, und einem hellen Zustand wechselt, in dem er kraftvolle Impulse entfesselt. Die Forscher detektierten über zwei tausend dieser Pulse über mehrere Jahre hinweg, aber das Verhalten des Sterns ist so unregelmäßig, dass er für frühere Durchmusterungen, die nach stetigen Signalen suchten, unsichtbar war. Die bemerkenswerteste Entdeckung ist die schiere Kraft seiner hellsten Blitze. Das Team maß einen einzelnen Puls mit einer Spitzenhelligkeit von 3,1 Kilojanskys, einer Einheit der Radiointensität. Um dies in Perspektive zu setzen: Wenn man diesen Stern an den Rand unserer Lokalen Gruppe von Galaxien platzieren würde, könnte ein massives Teleskop in China namens FAST immer noch seinen hellsten Blitz detektieren. Dies macht PSR J2108+5055 zum hellsten bekannten Rotating Radio Transient, der alle anderen seiner Art um eine signifikante Spanne übertrifft.

Die Entdeckung verlief nicht geradlinig. Das verwendete Teleskop, CHIME, ist darauf ausgelegt, ein breites Stück des Himmels abzutasten, während die Erde rotiert, aber es verfolgt keine einzelnen Objekte wie ein herkömmliches Teleskop. Das bedeutet, dass die Daten komplex sind und die Pulse des Sterns oft in den „Side Lobes“ (Nebenkeulen) des Sichtfeldes des Teleskops eingefangen wurden, also in weniger sensitiven Bereichen am Rand seines Sichtfeldes. Die Forscher mussten neue Methoden entwickeln, um diese Signale zu kalibrieren und zu bestätigen, dass die Pulse tatsächlich von einer einzigen, rotierenden Quelle stammten. Sie fanden heraus, dass der Stern einmal alle 0,495 Sekunden rotiert und ein starkes Magnetfeld besitzt, aber die meiste Zeit in einem „Nulling“-Modus verbringt, in dem er fast nichts aussendet. Wenn er erwacht, wechselt er zwischen zwei unterschiedlichen Modi der Helligkeit. Ein Modus ist schwach, während der andere unglaublich hell ist, wobei die hellen Pulse etwa zwanzigmal stärker sind als die schwachen. Das Team bemerkte auch, dass die Pulse des Sterns zu leicht unterschiedlichen Zeiten eintreffen, je nachdem, in welchem Modus er sich befindet – ein subtiler Hinweis, der ihnen half, den wahren Rhythmus des Sterns zu entschlüsseln.

Was diese Entdeckung so wichtig macht, ist das, was sie über die Population der Neutronensterne in unserer Galaxie nahelegt. Frühere Durchmusterungen, die nach stetigen Signalen oder kurzen Ausbrüchen suchten, hätten diesen Stern wahrscheinlich völlig übersehen, da er sich nicht wie ein typischer Pulsar verhält. Die Forscher nutzten ein einfaches Modell, um abzuschätzen, wie viele andere Sterne wie dieser am Himmel lauern könnten. Sie kamen zu dem Schluss, dass es Dutzende, vielleicht sogar um die achtzig dieser extrem hellen, aber sporadischen Quellen geben könnte, die durch traditionelle Methoden unentdeckt geblieben sind. Dies impliziert, dass das Universum voller dieser „versteckenden“ Giganten ist, als wir zuvor dachten, und dass wir neue, lang andauernde Durchmusterungen benötigen, um sie zu finden. Die Studie ordnet diesen Stern auch in den Kontext von Fast Radio Bursts ein. Obwohl die Pulse von PSR J2108+5055 unglaublich hell für einen Pulsar sind, sind sie immer noch viel zu schwach, um die Fast Radio Bursts zu sein, die aus anderen Galaxien beobachtet werden. Jedoch zeigt die Tatsache, dass ein Neutronenstern in unserem eigenen Hinterhof der Lage ist, solch intensive, millisekundenlange Blitze zu erzeugen, dass die Maschinerie im Inneren dieser Sterne in der Lage ist, Energie auf einer Skala zu generieren, die die Lücke zwischen gewöhnlichen Pulsaren und den mysteriösen Fast Radio Bursts überbrückt.

Die Forscher suchten diesen Stern auch in anderen Teilen des Spektrums, wie etwa im Röntgen- oder sichtbaren Licht, fanden jedoch nichts. Dies bestätigt, dass der Stern ein reiner Radioemittent ist, ohne sichtbare Gegenstelle oder starkes Röntgenleuchten, was typisch für diese Art von Objekt ist. Durch die Messung der Rotation des Sterns und wie sehr er sich im Laufe der Zeit verlangsamt, berechneten sie, dass er etwa 12 Millionen Jahre alt ist und ein Oberflächenmagnetfeld besitzt, das Milliarden Male stärker ist als das der Erde. Die Energie, die er beim Rotieren verliert, wird mit einer überraschend hohen Effizienz in Radiowellen umgewandelt, wenn er aktiv ist. Diese Entdeckung löst das Rätsel der Fast Radio Bursts nicht, aber sie erweitert unser Verständnis darüber, wozu Neutronensterne fähig sind. Sie zeigt, dass selbst innerhalb unserer eigenen Galaxie extreme Objekte existieren, die unsere Erwartungen trotzen und für einen Moment brillant aufblitzen, bevor sie wieder in der Dunkelheit verschwinden. Während neue Teleskope in Betrieb genommen werden und Durchmusterungen sensitiver werden, erwarten Astronomen, mehr dieser schwer fassbaren, hochleistungsfähigen Transienten zu finden, die eine verborgene Population von Sternen enthüllen, die nur in Flüstern zu uns sprechen.