Astronomer haben bei dem 41.000 Jahre alten Pulsar PSR J1637−4642 drei mysteriöse Drehzahlsprünge, sogenannte Glitches, nachgewiesen. Der über ein Jahrzehnt lang scheinbar stille Neutronenstern überraschte Forschende mit einem massiven Rotationsschub im Jahr 2018 sowie zwei kleineren Ereignissen, was neue Einblicke in superfluides Material im Sterninneren liefert.
Astronomie-Forschende an der Xiamen University
Astronomie-Forschende haben bei der Überwachung eines jungen Neutronensterns eine unerwartete Entdeckung gemacht. Astronomers monitoring an unusual young neutron star report a stellar surprise after years of apparent silence, as the space object has displayed sudden changes in its rotation, including one large event they characterize as a “glitch” that could point to evidence of exotic matter.
Murriyang-Radioteleskops in Parkes
Fünfzehn Jahre Beobachtungsdaten enthüllen drei Glitches. Geleitet wurde die Untersuchung von Zhaoyi Wang an der Xiamen University. Das Team analysierte mehr als fünfzehn Jahre an Beobachtungsdaten, die mithilfe des australischen Murriyang-Radioteleskops in Parkes aufgezeichnet wurden. Dabei stießen die Wissenschaftler auf drei markante Drehzahlsprünge.
Den Anfang machte im Jahr 2018 ein besonders kräftiges Ereignis. Damals stieg die Rotationsfrequenz um rund 17,54 Mikrohertz, was einem relativen Sprung von etwa 2,7 Millionstel entspricht. Zwischen dem Beginn der aufgezeichneten Messreihe und diesem ersten Ausbruch lagen rund 9,5 Jahre ohne jegliche Auffälligkeiten bei der Rotation.
Etwa drei Jahre nach dem ersten Ereignis folgte ein zweiter, deutlich kleinerer Sprung. Dieser war mehr als tausendmal kleiner und erhöhte die Frequenz nur um etwa 14 Nanohertz. Ein dritter Glitch ereignete sich weitere 2,7 Jahre später mit einem Zuwachs von etwa 179 Nanohertz, wie die Auswertungen belegen. Beim dritten Glitch ist die Nachbeobachtung allerdings dünn: Nach dem Ereignis standen nur zwei Datenpunkte aus sechs Pulsankunftszeiten zur Verfügung.
Neutronenstern-Varianten wie PSR J1637−4642
Das physikalische Rätsel um superfluides Material im Inneren. Pulsare sind extrem schnell rotierende Neutronenstern-Varianten, die regelmäßige Bündel elektromagnetischer Strahlung aussenden. Dies erlaubt eine präzise Überwachung ihrer Umlaufzeiten von der Erde aus. Wenn sich ein solcher Stern plötzlich beschleunigt, stehen Forschende vor einem physikalischen Rätsel. Fachleute vermuten als Ursache Interaktionen zwischen der festen Kruste des Sterns und exotischer, superfluider Materie im Inneren.
In diesem Modell sammelt sich durch Rotationsunterschiede zwischen Kruste und superfluidem Kern Drehimpuls an, der schlagartig auf die Kruste übertragen wird und den Pulsar beschleunigt. Nach dem gängigen Vortex-Creep-Bild rotieren Neutronen in der inneren Kruste superfluid mithilfe quantisierter Wirbel. Werden viele dieser Wirbel plötzlich von der Gitterstruktur gelöst, springt die Rotationsfrequenz nach oben.
„PSR J1637−4642 adds to the growing class of young pulsars that exhibit large glitches after extended intervals of apparent quiescence,schreiben die Forschende in der Studie, via The Debrief.
Langanhaltende Erholungsphase nach dem ersten Ausbruch. Nicht jeder Drehzahlsprung verhält sich gleich. Während die beiden späteren Ereignisse kaum datenintensive Nachbeobachtungen ließen, zeigte der starke Glitch aus dem Jahr 2018 eine klare Erholungsphase. Ein rein phänomenologischer Fit beschreibt den beobachteten exponentiellen Abfall mit 67 ± 8 Tagen. Im physikalisch motivierten Vortex-Creep-Modell ergibt sich dagegen eine intrinsische Relaxationszeit von rund 102 Tagen.
Dieses Modell liefert außerdem einen Anteil von 0,0187 am Trägheitsmoment, also rund 1,9 Prozent, für den superfluiden Bereich, der auf diesen Zeitskalen an die feste Kruste gekoppelt ist. Die erhobenen Daten verdeutlichen, dass selbst jahrelang ruhige Pulsare erhebliche Spannungen aufbauen und sich entladen können.
„Our results demonstrate that even ‚quiet‘ pulsars can harbor significant glitch activity,resümiert das Forschungsteam, via The Debrief.’
Die Ergebnisse der Arbeitsgruppe wurden unter dem Titel „Discovery of Three Glitches in the previously quiet pulsar PSR J1637−4642“ auf dem Preprint-Server arXiv veröffentlicht und wurden zur Veröffentlichung im Fachjournal Astrophysical Journal Letters angenommen. Ob der Stern in eine neue Ruhephase zurückkehrt oder weitere Sprünge zeigt, müssen künftige Langzeitbeobachtungen klären.”
