ESO-Teleskope helfen, das Pulsar-Rätsel zu lösen

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Bild: Diese künstlerische Darstellung zeigt den Pulsar PSR J1023+0038, wie er seinem Begleitstern Gas stiehlt. Dieses Gas sammelt sich in einer Scheibe um den Pulsar, fällt langsam auf ihn zu und wird schließlich in einem schmalen Strahl ausgestoßen. Darüber hinaus weht ein Partikelwind vom Pulsar weg, hier dargestellt durch eine Wolke aus sehr kleinen Punkten. Dieser Wind kollidiert mit dem einströmenden Gas, erhitzt es und lässt das System im Röntgen-, Ultraviolett- und sichtbaren Licht hell leuchten. Schließlich werden Klumpen dieses heißen Gases entlang des Strahls ausgestoßen, und der Pulsar kehrt in den ursprünglichen, schwächeren Zustand zurück und wiederholt den Zyklus. Es wurde beobachtet, dass dieser Pulsar alle paar Sekunden oder Minuten ununterbrochen zwischen diesen beiden Zuständen wechselt.mehr sehen

Bildnachweis: ESO/M. Kornmesser

Mit einer bemerkenswerten Beobachtungskampagne, an der zwölf Teleskope sowohl auf der Erde als auch im Weltraum beteiligt waren, darunter drei Einrichtungen der Europäischen Südsternwarte (ESO), haben Astronomen das seltsame Verhalten eines Pulsars, eines superschnell rotierenden toten Sterns, aufgedeckt. Es ist bekannt, dass dieses mysteriöse Objekt fast ständig zwischen zwei Helligkeitsmodi wechselt, was bisher ein Rätsel war. Aber Astronomen haben jetzt herausgefunden, dass plötzliche Materieauswürfe aus dem Pulsar über sehr kurze Zeiträume für die eigenartigen Veränderungen verantwortlich sind.

„Wir haben außergewöhnliche kosmische Ereignisse erlebt, bei denen enorme Mengen an Materie, ähnlich kosmischen Kanonenkugeln, innerhalb einer sehr kurzen Zeitspanne von mehreren zehn Sekunden von einem kleinen, dichten Himmelsobjekt, das mit unglaublich hoher Geschwindigkeit rotiert, in den Weltraum geschleudert werden“, sagt Maria Cristina Baglio , Forscher an der New York University Abu Dhabi, angeschlossen an das italienische Nationalinstitut für Astrophysik (INAF) und Hauptautor des heute in Astronomy & Astrophysics veröffentlichten Artikels.

Ein Pulsar ist ein schnell rotierender, magnetischer, toter Stern, der einen Strahl elektromagnetischer Strahlung in den Weltraum aussendet. Während er rotiert, streicht dieser Strahl über den Kosmos – ähnlich wie ein Leuchtturmstrahl, der seine Umgebung abtastet – und wird von Astronomen entdeckt, wenn er die Sichtlinie zur Erde schneidet. Dadurch scheint der Stern von unserem Planeten aus gesehen in seiner Helligkeit zu pulsieren.

PSR J1023+0038, kurz J1023, ist ein besonderer Pulsartyp mit bizarrem Verhalten. Er befindet sich etwa 4500 Lichtjahre entfernt im Sternbild Sextans und umkreist eng einen anderen Stern. Im letzten Jahrzehnt hat der Pulsar aktiv Materie von seinem Begleiter abgezogen, die sich in einer Scheibe um den Pulsar herum ansammelt und langsam auf ihn zufällt.

Seitdem dieser Prozess der Ansammlung von Materie begann, verschwand der schwenkende Strahl praktisch und der Pulsar begann unaufhörlich zwischen zwei Modi zu wechseln. Im „Hoch“-Modus gibt der Pulsar helle Röntgenstrahlen, ultraviolettes und sichtbares Licht ab, während er im „Niedrig“-Modus bei diesen Frequenzen schwächer ist und mehr Radiowellen aussendet. Der Pulsar kann mehrere Sekunden oder Minuten in jedem Modus bleiben und dann in nur wenigen Sekunden in den anderen Modus wechseln. Dieser Wechsel gab den Astronomen bisher Rätsel auf.

„An unserer beispiellosen Beobachtungskampagne, um das Verhalten dieses Pulsars zu verstehen, waren ein Dutzend hochmoderner bodengestützter und weltraumgestützter Teleskope beteiligt“, sagt Francesco Coti Zelati, Forscher am Institut für Weltraumwissenschaften in Barcelona, ​​Spanien, und Co-Hauptautor von das Papier. Die Kampagne umfasste das Very Large Telescope (VLT) und das New Technology Telescope (NTT) der ESO, die sichtbares und naheinfrarotes Licht detektierten, sowie das Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), an dem die ESO beteiligt ist. In zwei Nächten im Juni 2021 beobachteten sie, wie das System über 280 Wechsel zwischen seinem hohen und niedrigen Modus durchführte.

„Wir haben herausgefunden, dass der Moduswechsel auf einem komplizierten Zusammenspiel zwischen dem Pulsarwind, einem Strom hochenergetischer Teilchen, der vom Pulsar weggeblasen wird, und der auf den Pulsar zuströmenden Materie zurückzuführen ist“, sagt Coti Zelati, der ebenfalls mit INAF verbunden ist.

Im Low-Modus wird Materie, die auf den Pulsar zuströmt, in einem schmalen Strahl senkrecht zur Scheibe ausgestoßen. Allmählich sammelt sich diese Materie immer näher am Pulsar an und wird dabei vom Wind des pulsierenden Sterns getroffen, wodurch sich die Materie erwärmt. Das System befindet sich jetzt im Hochmodus und leuchtet hell im Röntgen-, Ultraviolett- und sichtbaren Licht. Schließlich werden Klumpen dieser heißen Materie vom Pulsar über den Jet entfernt. Mit weniger heißer Materie in der Scheibe leuchtet das System weniger hell und wechselt wieder in den Low-Modus.

Obwohl diese Entdeckung das Geheimnis des seltsamen Verhaltens von J1023 gelüftet hat, müssen Astronomen noch viel von der Untersuchung dieses einzigartigen Systems lernen und die Teleskope der ESO werden Astronomen weiterhin dabei helfen, diesen eigenartigen Pulsar zu beobachten. Insbesondere das Extremely Large Telescope (ELT) der ESO, das derzeit in Chile gebaut wird, wird einen beispiellosen Einblick in die Schaltmechanismen von J1023 bieten. „Das ELT wird es uns ermöglichen, wichtige Erkenntnisse darüber zu gewinnen, wie die Häufigkeit, Verteilung, Dynamik und Energie der um den Pulsar einströmenden Materie durch das Modenwechselverhalten beeinflusst wird“, schließt Sergio Campana, Forschungsdirektor am INAF-Brera-Observatorium und Mitautor der Studie.

Diese Forschung wurde in einem Artikel vorgestellt, der in Astronomy & Astrophysics erscheinen wird (doi:10.1051/0004-6361/202346418).

Das Team besteht aus MC Baglio (Center for Astro, Particle, and Planetary Physics, New York University Abu Dhabi, VAE [NYU Abu Dhabi]; INAF – Osservatorio Astronomico di Brera, Merate, Italien [INAF Brera]), F. Coti Zelati (Institut für Weltraumwissenschaften, Campus UAB, Barcelona, ​​​​Spanien [ICE–CSIC]; Institut d'Estudis Espacials de Catalunya (IEEC), Barcelona, ​​​​Spanien [IEEC]; INAF Brera), S. Campana (INAF Brera), G Busquet (Abteilung für Quànticai Astrofisica, Universitat de Barcelona, ​​​​Spanien; Institut für Kosmoswissenschaften, Universitat de Barcelona, ​​​​Spanien; IEEC), P. D'Avanzo (INAF Brera), S. Giarratana (INAF – Istituto di Radioastronomia, Bologna, Italien [INAF Bologna]; Abteilung für Physik und Astronomie, Universität Bologna, Italien [Bologna]), M. Giroletti (INAF Bologna; Bologna), F. Ambrosino (INAF – Osservatorio Astronomico di Roma, Rom, Italien [INAF Rom]); INAF – Istituto Astrofisica Planetologia Spaziali, Rom, Italien; Sapienza Università di Roma, Rom, Italien), S.Crespi (NYU Abu Dhabi), A. Miraval Zanon (Agenzia Spaziale Italiana, Rom, Italien; INAF Roma), X. Hou (Yunnan Observatories, Chinesische Akademie der Wissenschaften, Kunming, China; Schlüssellabor für die Struktur und Entwicklung von Himmelsobjekten, Chinesische Akademie der Wissenschaften, Kunming, China), D. Li (Nationale Astronomische Observatorien, Chinesische Akademie der Wissenschaften, Peking, China; Universität der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, Peking, China ; Research Center for Intelligent Computing Platforms, Zhejiang Laboratory, Hangzhou, China), J. Li (CAS Key Laboratory for Research in Galaxies and Cosmology, Department of Astronomy, University of Science and Technology of China, Hefei, China; School of Astronomy and Space Science, University of Science and Technology of China, Hefei, China), P. Wang (Institute for Frontiers in Astronomy and Astrophysics, Beijing Normal University, Peking, China), DM Russell (NYU Abu Dhabi), DF Torres (INAF Brera ; IEEC; Institució Catalana de Recercai Estudis Avançats, Barcelona, ​​​​Spanien), K. Alabarta (NYU Abu Dhabi), P. Casella (INAF Rom), S. Covino (INAF Brera), DM Bramich (NYU Abu Dhabi; Abteilung für Ingenieurwissenschaften, New York University Abu Dhabi, Vereinigte Arabische Emirate), D. de Martino (INAF – Osservatorio Astronomico di Capodimonte, Neapel, Italien), M. Méndez (Kapteyn Astronomical Institute, Universität Groningen, Groningen, Niederlande), SE Motta (INAF Brera), A. Papitto (INAF Rom), P. Saikia (NYU Abu Dhabi) und F. Vincentelli (Instituto de Astrofisica de Canarias, Teneriffa, Spanien; Abteilung für Astrophysik, Universidad de La Laguna, Teneriffa, Spanien) .

Die Europäische Südsternwarte (ESO) ermöglicht es Wissenschaftlern weltweit, die Geheimnisse des Universums zum Nutzen aller zu entdecken. Wir entwerfen, bauen und betreiben erstklassige Observatorien vor Ort – mit denen Astronomen spannende Fragestellungen bearbeiten und die Faszination der Astronomie verbreiten – und fördern die internationale Zusammenarbeit für die Astronomie. Die ESO wurde 1962 als zwischenstaatliche Organisation gegründet und wird heute von 16 Mitgliedsstaaten (Österreich, Belgien, Tschechische Republik, Dänemark, Frankreich, Finnland, Deutschland, Irland, Italien, Niederlande, Polen, Portugal, Spanien, Schweden, Schweiz usw.) unterstützt (das Vereinigte Königreich), zusammen mit dem Gastgeberstaat Chile und mit Australien als strategischem Partner. Der Hauptsitz der ESO sowie ihr Besucherzentrum und Planetarium, die ESO Supernova, befinden sich in der Nähe von München in Deutschland, während die chilenische Atacama-Wüste, ein wunderbarer Ort mit einzigartigen Bedingungen für die Beobachtung des Himmels, unsere Teleskope beherbergt. Die ESO betreibt drei Beobachtungsstandorte: La Silla, Paranal und Chajnantor. Am Paranal betreibt die ESO das Very Large Telescope und sein Very Large Telescope Interferometer sowie Durchmusterungsteleskope wie VISTA. Ebenfalls am Paranal wird die ESO das Cherenkov Telescope Array South beherbergen und betreiben, das weltweit größte und empfindlichste Gammastrahlen-Observatorium. Gemeinsam mit internationalen Partnern betreibt die ESO ALMA auf Chajnantor, eine Anlage, die den Himmel im Millimeter- und Submillimeterbereich beobachtet. Am Cerro Armazones in der Nähe des Paranal bauen wir „das größte Auge der Welt am Himmel“ – das Extremely Large Telescope der ESO. Von unseren Büros in Santiago, Chile aus unterstützen wir unsere Aktivitäten im Land und arbeiten mit chilenischen Partnern und der Gesellschaft zusammen.

Das Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), eine internationale Astronomieeinrichtung, ist eine Partnerschaft der ESO, der US National Science Foundation (NSF) und der National Institutes of Natural Sciences (NINS) Japans in Zusammenarbeit mit der Republik Chile. ALMA wird von der ESO im Namen ihrer Mitgliedstaaten, von der NSF in Zusammenarbeit mit dem National Research Council of Canada (NRC) und dem National Science and Technology Council (NSTC) in Taiwan sowie von NINS in Zusammenarbeit mit der Academia Sinica (AS) finanziert. in Taiwan und am Korea Astronomy and Space Science Institute (KASI). Der Bau und Betrieb von ALMA wird von der ESO im Namen ihrer Mitgliedstaaten geleitet; vom National Radio Astronomy Observatory (NRAO), verwaltet von Associated Universities, Inc. (AUI), im Auftrag Nordamerikas; und vom National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ) im Auftrag Ostasiens. Das Joint ALMA Observatory (JAO) übernimmt die einheitliche Führung und Verwaltung des Baus, der Inbetriebnahme und des Betriebs von ALMA.

Maria Cristina BaglioNew York University Abu Dhabi und Italian National Institute for Astrophysics (INAF)Abu Dhabi, Vereinigte Arabische EmirateTel: +97126287089E-Mail: [email protected] ; [email protected]

Francesco Coti ZelatiInstitut für WeltraumwissenschaftenBarcelona, ​​SpanienTel: (+34) 937379788 430416E-Mail: [email protected]

Sergio CampanaINAF Observatorium BreraMerate, ItalienTel: +39 02 72320418E-Mail: [email protected]

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