Hubble untersucht den Geburtsort eines Magnetars

Magneta­re sind extrem dich­te Stern­über­res­te mit extrem star­ken Magnet­fel­dern. For­scher haben mit­hil­fe des Hub­ble-Welt­raum­te­le­skops der NASA/ESA ent­deckt, dass der 15.000 Licht­jah­re ent­fern­te Magnetar SGR 0501+4516 im Stern­bild Fuhr­mann nicht wie bis­her ange­nom­men in einer benach­bar­ten Super­no­va ent­stan­den ist. Der Geburts­ort die­ses Objekts ist unbe­kannt, und SGR 0501+4516 ist der wahr­schein­lichs­te Kan­di­dat in unse­rer Gala­xie für einen Magnetar, der nicht in einer Super­no­va ent­stan­den ist. Mög­lich wur­de die­se Ent­de­ckung durch die emp­find­li­chen Instru­men­te des Hub­ble sowie prä­zi­se Mes­sun­gen der ESA-Raum­son­de Gaia.

Im Jahr 2008 ent­deck­te das Swift-Obser­va­to­ri­um der NASA kur­ze, inten­si­ve Gam­ma­strah­len­blit­ze am Ran­de der Milch­stra­ße. Die Quel­le, ein Objekt namens SGR 0501+4516, ist einer von nur etwa 30 bekann­ten Magneta­ren in der Milchstraße.

Ein Magnetar ist eine beson­de­re Form eines Neu­tro­nen­sterns. Neu­tro­nen­ster­ne gehö­ren zu den extrems­ten Objek­ten im Uni­ver­sum. Die­se Ster­ne ver­ei­nen in der Regel mehr als die Mas­se der Son­ne in einer Neu­tro­nen­ku­gel von etwa 20 Kilo­me­tern Durch­mes­ser. Es über­rascht nicht, dass die­se exo­ti­schen Objek­te meh­re­re extre­me Ver­hal­tens­wei­sen zei­gen kön­nen, wie Rönt­gen- und Gam­ma­strah­len­aus­brü­che, star­ke Magnet­fel­der und schnel­le Rotation.

„Magneta­re sind Neu­tro­nen­ster­ne – die toten Über­res­te von Ster­nen, die voll­stän­dig aus Neu­tro­nen bestehen. Sie sind so schwer und dicht, dass die Elek­tro­nen und Pro­to­nen, aus denen die Ato­me bestehen, zu Neu­tro­nen zer­quetscht wur­den. Was Magneta­re so ein­zig­ar­tig macht, sind ihre extre­men Magnet­fel­der, die mil­li­ar­den­mal stär­ker sind als die stärks­ten Magne­te auf der Erde“, sag­te Ash­ley Chri­mes, Haupt­au­to­rin des heu­te in der Fach­zeit­schrift Astro­no­my & Astro­phy­sics ver­öf­fent­lich­ten Arti­kels über die Ent­de­ckung. Chri­mes ist For­schungs­sti­pen­dia­tin der Euro­päi­schen Welt­raum­or­ga­ni­sa­ti­on (ESA) am Euro­päi­schen Welt­raum­for­schungs- und Tech­no­lo­gie­zen­trum (ESTEC) in den Niederlanden.

Man geht davon aus, dass die meis­ten Neu­tro­nen­ster­ne in Kern­kol­laps-Super­no­vas ent­ste­hen. Die­se spek­ta­ku­lä­ren kos­mi­schen Explo­sio­nen ereig­nen sich, wenn Ster­nen, die weit­aus mas­se­rei­cher als die Son­ne sind, der Brenn­stoff für die Kern­fu­si­on aus­geht. Die äuße­ren Schich­ten des Sterns fal­len nach innen und pral­len in einer Explo­si­on vom kol­la­bier­ten Kern ab. Die­se kann kurz­zei­tig die Hel­lig­keit einer gan­zen Gala­xie überstrahlen. 

Da Magneta­re selbst Neu­tro­nen­ster­ne sind, liegt die nahe­lie­gen­de Erklä­rung für ihre Ent­ste­hung dar­in, dass auch sie in Super­no­vae ent­ste­hen. Dies scheint bei SGR 0501+4516 der Fall zu sein, der sich viel­ver­spre­chend nahe einem Super­no­va-Über­rest namens HB9 befin­det. Der Abstand zwi­schen dem Magnetar und dem Zen­trum des Super­no­va­über­rests am Him­mel beträgt gera­de ein­mal 80 Bogen­mi­nu­ten, also etwas mehr als der klei­ne Fin­ger am Ende des aus­ge­streck­ten Arms.

Doch eine zehn­jäh­ri­ge Stu­die mit dem Hub­ble ließ Zwei­fel am Geburts­ort des Magnetars auf­kom­men. Nach ers­ten Beob­ach­tun­gen mit erd­ge­bun­de­nen Tele­sko­pen kurz nach der Ent­de­ckung von SGR 0501+4516 nutz­ten For­scher Hub­bles außer­or­dent­li­che Emp­find­lich­keit und gleich­mä­ßi­ge Aus­rich­tung, um das schwa­che Infra­rot­leuch­ten des Magnetars in den Jah­ren 2010, 2012 und 2020 zu ent­de­cken. Jedes die­ser Bil­der wur­de an einem Refe­renz­rah­men aus­ge­rich­tet, der durch Beob­ach­tun­gen der Raum­son­de Gaia der Euro­päi­schen Welt­raum­or­ga­ni­sa­ti­on defi­niert wur­de , die eine außer­or­dent­lich prä­zi­se drei­di­men­sio­na­le Kar­te von fast zwei Mil­li­ar­den Ster­nen in der Milch­stra­ße erstellt hat. Mit die­ser Metho­de konn­te die win­zi­ge Bewe­gung des Magnetars auf sei­nem Weg über den Him­mel nach­ge­wie­sen wer­den. Die­se Arbeit zeigt also, dass Hub­ble und die ESA-Son­de Gaia mit ver­ein­ten Kräf­ten nie zuvor gese­he­ne Geheim­nis­se lüf­ten können.

„Die gesam­te von uns gemes­se­ne Bewe­gung ist klei­ner als ein ein­zel­ner Pixel eines Hub­ble-Bil­des“, sag­te Co-For­scher Joe Lyman von der Uni­ver­si­ty of War­wick in Groß­bri­tan­ni­en. „Die Fähig­keit, sol­che Mes­sun­gen zuver­läs­sig durch­zu­füh­ren, ist ein Beweis für die Lang­zeit­sta­bi­li­tät von Hubble.“

Durch die Ver­fol­gung der Posi­ti­on des Magnetars konn­te das Team des­sen schein­ba­re Bewe­gung am Him­mel mes­sen. Sowohl die Geschwin­dig­keit als auch die Bewe­gungs­rich­tung von SGR 0501+4516 zeig­ten, dass der Magnetar nicht mit dem nahe­ge­le­ge­nen Super­no­va-Über­rest in Ver­bin­dung gebracht wer­den konn­te. Die Ver­fol­gung der Flug­bahn des Magnetars über Tau­sen­de von Jah­ren in die Ver­gan­gen­heit zeig­te, dass es kei­ne ande­ren Super­no­va-Über­res­te oder mas­se­rei­chen Stern­hau­fen gab, mit denen er in Ver­bin­dung gebracht wer­den konnte.

Falls SGR 0501+4516 nicht im Super­no­va-Über­rest HB9 ent­stan­den ist, muss der Magnetar ent­we­der deut­lich älter sein als die ange­ge­be­nen 20.000 Jah­re oder sich auf ande­re Wei­se gebil­det haben. Magneta­re kön­nen auch durch die Ver­schmel­zung zwei­er mas­se­är­me­rer Neu­tro­nen­ster­ne oder durch einen Pro­zess namens Akkre­ti­ons­kol­laps ent­ste­hen. Akkre­ti­ons­kol­laps erfor­dert ein Dop­pel­stern­sys­tem mit einem Wei­ßen Zwerg: dem kris­tal­li­sier­ten Kern eines toten son­nen­ähn­li­chen Sterns. Nimmt der Wei­ße Zwerg Gas von sei­nem Beglei­ter auf, kann er zu mas­se­reich wer­den, um sich selbst zu tra­gen, was zu einer Explo­si­on – oder mög­li­cher­wei­se zur Ent­ste­hung eines Magnetars – füh­ren kann.

„Nor­ma­ler­wei­se führt die­ses Sze­na­rio zur Zün­dung von Kern­re­ak­tio­nen und zur Explo­si­on des Wei­ßen Zwergs, ohne etwas zurück­zu­las­sen. Es gibt jedoch Theo­rien, dass der Wei­ße Zwerg unter bestimm­ten Bedin­gun­gen statt­des­sen zu einem Neu­tro­nen­stern kol­la­bie­ren kann. Wir glau­ben, dass SGR 0501 auf die­se Wei­se ent­stan­den sein könn­te“, ergänz­te Andrew Levan von der Rad­boud-Uni­ver­si­tät in den Nie­der­lan­den und der Uni­ver­si­tät War­wick in Großbritannien.

SGR 0501+4516 ist der­zeit der bes­te Kan­di­dat für einen Magnetar in unse­rer Gala­xie, der durch eine Ver­schmel­zung oder einen akkre­ti­ons­in­du­zier­ten Kol­laps ent­stan­den sein könn­te. Magneta­re, die durch einen akkre­ti­ons­be­ding­ten Kol­laps ent­stan­den sind, könn­ten eine Erklä­rung für eini­ge der mys­te­riö­sen kos­mi­schen Signa­le lie­fern, die als schnel­le Radio­bursts bezeich­net wer­den, d. h. kur­ze, aber star­ke Radio­wel­len­blit­ze. Ins­be­son­de­re könn­te die­ses Sze­na­rio den Ursprung schnel­ler Radio­blit­ze erklä­ren, die von Stern­po­pu­la­tio­nen aus­ge­hen, die zu alt sind, um kürz­lich Ster­ne her­vor­ge­bracht zu haben, die mas­siv genug sind, um als Super­no­vae zu explodieren.

„Die Geburts­ra­ten und Ent­ste­hungs­sze­na­ri­en von Magneta­ren gehö­ren zu den drän­gends­ten Fra­gen der Hoch­en­er­gie-Astro­phy­sik und haben Aus­wir­kun­gen auf vie­le der gewal­tigs­ten kurz­zei­ti­gen Ereig­nis­se im Uni­ver­sum, wie etwa Gam­ma­strah­len­aus­brü­che, super­hel­le Super­no­vae und schnel­le Radio­blit­ze“, sag­te Nan­da Rea vom Insti­tu­te of Space Sci­en­ces im spa­ni­schen Barcelona.

Das For­schungs­team plant wei­te­re Hub­ble-Beob­ach­tun­gen, um die Ursprün­ge ande­rer Magneta­re in der Milch­stra­ße zu unter­su­chen und so zu ver­ste­hen, wie die­se extre­men Objek­te entstehen.

Hintergrundinformationen

Das Hub­ble-Welt­raum­te­le­skop ist ein inter­na­tio­na­les Koope­ra­ti­ons­pro­jekt zwi­schen ESA und NASA.

Bild­nach­weis: ESA

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