Ein rund 41.000 Jahre alter Neutronenstern, der jahrelang völlig inaktiv schien, hat Astronomen mit drei plötzlichen Drehzahlsprüngen überrascht. Das Objekt PSR J1637−4642 zeigte nach einer fast zehnjährigen Ruhephase im Jahr 2018 einen massiven Rotationsschub, dem zwei weitere, deutlich kleinere Sprünge folgten.
In der Welt der Pulsare sind plötzliche Rucke in der Rotation keine Seltenheit. Wenn die extrem dichten Himmelskörper jedoch über einen langen Zeitraum völlig unauffällig bleiben und sich dann abrupt entladen, wirft das neue Fragen über ihr unsichtbares Innenleben auf. Genau ein solches Verhalten hat ein Forscherteam bei einem jungen Pulsar beobachtet, der jahrelang geschwiegen hatte.
Jahrelange Stille und ein gewaltiger Drehzahlsprung im Jahr 2018
Im Zentrum der Auswertung steht der rund 41.000 Jahre alte Pulsar PSR J1637−4642, der für eine Umdrehung um die eigene Achse etwa 154 Millisekunden benötigt. Die Untersuchung basierte auf mehr als fünfzehn Jahren Messdaten, die mit dem Murriyang-Radioteleskop in Parkes in Australien aufgezeichnet wurden.
Die von Zhaoyi Wang an der Xiamen University geleitete Studie dokumentierte dabei eine unerwartete Serie von Unregelmäßigkeiten. Zwischen dem Beginn der Messungen und dem ersten markanten Ereignis lagen rund 9,5 Jahre ohne jegliche Auffälligkeiten. Doch im Jahr 2018 brach diese Phase abrupt ab. Damals stieg die Rotationsfrequenz des Sterns um rund 17,54 Mikrohertz an, was einem relativen Sprung von etwa 2,7 Millionstel entspricht. Eine solche Intensität ist selbst für junge Pulsare bemerkenswert.
Drei unregelmäßige Ereignisse und zwei deutlich kleinere Nachzügler
Auf den massiven Ausbruch im Jahr 2018 folgten zwei weitere, weitaus kleinere Drehzahlsprünge, die in unregelmäßigen zeitlichen Abständen registriert wurden. Der zweite Sprung trat etwa drei Jahre nach dem Erstereignis auf und war nach Angaben der beteiligten Wissenschaftler mehr als tausendmal kleiner; er erhöhte die Frequenz lediglich um rund 14 Nanohertz. Nach weiteren 2,7 Jahren folgte ein dritter Sprung von etwa 179 Nanohertz.
Die Datenlage zum dritten Ereignis gestaltet sich jedoch dünner. Nach diesem Sprung standen lediglich zwei Datenpunkte aus sechs Pulsankunftszeiten zur Verfügung, was die Suche nach einer messbaren Erholungsphase erschwerte. Ganz anders verhielt sich dagegen der erste, stärkste Glitch, der eine klare und langsame Entspannungsphase durchlief.
Forscherteam, in einer Studie zur Veröffentlichung angenommen im Astrophysical Journal Letters
Das innere Geheimnis: Exotische Materie und superfluides Material
Hinter diesen plötzlichen Sprüngen vermuten Astronomen physikalische Prozesse im extremen Inneren der Neutronensterne. Nach gängigen Modellen besteht das Innere solcher Objekte zu großen Teilen aus superfluiden Neutronen, die mithilfe quantisierter Wirbel rotieren. Wenn diese Wirbel plötzlich von der festen Kruste des Sterns abgelöst werden, überträgt sich Drehimpuls schlagartig auf die äußere Hülle, wodurch sich die beobachtete Rotation beschleunigt.
Die detaillierte Analyse der Erholungsphase des ersten Glitches lieferte den Forschern weitere Anhaltspunkte. Ein phänomenologischer Fit beschrieb den exponentiellen Abfall mit rund 67 Tagen. Im physikalisch motivierten Vortex-Creep-Modell ergab sich dagegen eine intrinsische Relaxationszeit von etwa 102 Tagen. Zudem liefert dieses Modell einen Anteil von rund 1,9 Prozent am Trägheitsmoment für den superfluiden Bereich, der auf diesen Zeitskalen an die feste Kruste gekoppelt ist. Die Ergebnisse wurden auf dem Preprint-Server arXiv veröffentlicht und sind zur Veröffentlichung im Astrophysical Journal Letters angenommen worden.
Was die neuen Daten für die Pulsar-Forschung bedeuten
Die weite Spanne zwischen den beobachteten Ereignissen – sie erstreckt sich über mehr als drei Größenordnungen in ihrer relativen Stärke – widerspricht der simplen Annahme, dass sich vor jedem Drehzahlsprung stets gleichmäßig Spannung aufbaut, die sich in vorhersehbaren Intervallen entlädt. Die lange Ruhephase widerlegt zudem die Vorstellung, dass eine solche Inaktivität große Ausbrüche grundsätzlich ausschließt.
Forscherteam, Studienautoren
Welche exakten Bedingungen den genauen Zeitpunkt und die Dimension eines solchen Sprungs steuern, bleibt vorerst offen. Ob der Pulsar wieder in eine ruhige Phase verfällt oder ob seine neu entdeckte Aktivität anhält, sollen erst kommende, langjährige Messkampagnen zeigen.
