Das Röntgen-Weltraumobservatorium XMM-Newton (auch X-ray Multi-Mirror genannt) Der Pulsar, der als NGC 5907 X-1 identifiziert wurde, ist auch der am weitesten entfernte seiner Art, der jemals entdeckt wurde. Sein Licht legte 50 Millionen Lichtjahre zurück, bevor es von XMM-Newton entdeckt wurde.
Pulsare sind sich drehende, magnetisierte Neutronensterne, die regelmäßige Strahlungspulse in zwei symmetrischen Strahlen über den Kosmos aussenden. Wenn sie richtig auf die Erde ausgerichtet sind, sind diese Strahlen wie ein Leuchtfeuer, das während der Drehung an- und auszublinken scheint. Sie waren einst massive Sterne, die am natürlichen Ende ihres Lebens in einer gewaltigen Supernova explodierten, bevor sie zuzu kleinen und außerordentlich dichten Sternenleichen werden.
Diese Röntgenquelle ist die leuchtstärkste bisher entdeckte ihrer Art: Sie ist 10-mal heller als der bisherige Rekordhalter und strahlt in einer Sekunde die gleiche Energiemenge ab, die unsere Sonne in 3,5 Jahren freisetzt! Ultrahelle Röntgenquellen (ULXs) in nahen Galaxien leuchten heller als jede Röntgenquelle in unserer Galaxie. ULXs sind normalerweisedie in wissenschaftlichen Modellen als Schwarze Löcher mit stellarer Masse (BHs) beschrieben werden, die mit sehr hohen Raten akkretieren, oder BHs mit mittlerer Masse.
Die XMM-Newton-Sonde hat das Objekt in den letzten 13 Jahren mehrmals beobachtet, wobei diese Entdeckung das Ergebnis einer systematischen Suche nach Pulsaren im Datenarchiv war - seine periodischen 1,13-Sekunden-Pulse haben es aufgedeckt. Das Signal wurde auch im NuSTAR-Datenarchiv der NASA identifiziert und liefert zusätzliche Informationen.
Der rekordverdächtige Pulsar, identifiziert als NGC 5907 X-1, befindet sich in der Spiralgalaxie NGC 5907, die auch als Messerblattgalaxie oder Scherbengalaxie bekannt ist. Das Bild umfasst Röntgenemissionsdaten (blau/weiß) des ESA-Weltraumteleskops XMM-Newton und des NASA-Röntgenobservatoriums Chandra sowie optische Daten des Sloan Digital Sky Survey (Galaxie und Sterne im erstenDie Einblendung zeigt die Röntgenpulsation des sich drehenden Neutronensterns mit einer Periode von 1,13s, wie sie von der XMM-Newton European Photon Imaging Camera ermittelt wurde. Credits: ESA/XMM-Newton; NASA/Chandra und SDSS
"Ultraleuchtende Röntgenquellen (ULXs) in nahen Galaxien leuchten heller als jede Röntgenquelle in unserer Galaxie. ULXs werden normalerweise als stellarmasse Schwarze Löcher (BHs) modelliert, die mit sehr hohen Raten akkretieren, oder als BHs mittlerer Masse. Wir stellen Beobachtungen vor, die zeigen, dass die ULX in NGC 5907 stattdessen ein Röntgenneutronenstern ist(NS) mit Akkretion und einer Rotationsperiode, die sich von 1,43 Sekunden im Jahr 2003 auf 1,13 Sekunden im Jahr 2014 entwickelt. Er hat eine isotrope Spitzenleuchtkraft, die das 1000-fache des Eddington-Limits für einen NS bei 17,1 Megaparsec beträgt. Standard-Akkretionsmodelle können seine Leuchtkraft nicht erklären, selbst wenn man Strahlungsemission annimmt, aber ein starkes multipolares Magnetfeld kann seine Eigenschaften beschreiben. Diese Ergebnisselegen nahe, dass andere extreme ULX (Röntgenleuchtkraft ≥ 1041 erg second-1) NS beherbergen könnten."
Bisher glaubte man, dass nur Schwarze Löcher, die mindestens 10-mal massereicher als die Sonne sind und sich von ihren stellaren Begleitern ernähren, solche außergewöhnlichen Helligkeiten erreichen können, aber die schnellen und regelmäßigen Pulsationen dieser Quelle sind der Fingerabdruck von Neutronensternen und unterscheiden sie eindeutig von Schwarzen Löchern", sagt Gian Luca Israel vom INAF-Osservatorio Astronomica diRom, Italien, Hauptautor der Studie, die in der Fachzeitschrift Wissenschaft diese Woche.
Die Archivdaten zeigten auch, dass sich die Rotationsrate des Pulsars im Laufe der Zeit veränderte, von 1,43 s pro Umdrehung im Jahr 2003 auf 1,13 s im Jahr 2014. Die gleiche relative Beschleunigung der Erdrotation würde einen Tag im gleichen Zeitraum um fünf Stunden verkürzen. "Nur ein Neutronenstern ist kompakt genug, um zusammenzuhalten, während er sich so schnell dreht", ergänzt Gian Luca.
Obwohl es nicht ungewöhnlich ist, dass sich die Rotationsrate eines Neutronensterns ändert, ist die hohe Änderungsrate in diesem Fall wahrscheinlich darauf zurückzuführen, dass das Objekt schnell Masse von einem Begleiter aufnimmt.
"Dieses Objekt ist eine echte Herausforderung für unser derzeitiges Verständnis des "Akkretions"-Prozesses bei Sternen mit hoher Leuchtkraft", sagt Gian Luca. "Es leuchtet 1000 Mal heller als das, was man für einen Neutronenstern, der Masse akkretiert, für maximal möglich hielt, so dass wir in unseren Modellen etwas mehr brauchen, um die enorme Menge an Energie zu erklären, die von diesem Objekt freigesetzt wird."
Die Wissenschaftler gehen davon aus, dass dieser Pulsar ein starkes und komplexes Magnetfeld in der Nähe seiner Oberfläche besitzen muss, so dass eine Akkretion an der Oberfläche des Neutronensterns noch möglich ist und dennoch die hohe Leuchtkraft erzeugt.
"Die Entdeckung dieses sehr ungewöhnlichen Objekts, das in Bezug auf Entfernung, Leuchtkraft und Anstiegsrate seiner Rotationsfrequenz bei weitem das extremste ist, das je entdeckt wurde, stellt einen neuen Rekord für XMM-Newton dar und verändert unsere Vorstellungen darüber, wie diese Objekte wirklich 'funktionieren'", sagt Norbert Schartel, Wissenschaftler des XMM-Newton-Projekts der ESA. Quelle: G. L. Israel et al, "An accretingPulsar mit extremen Eigenschaften treibt eine ultraleuchtende Röntgenquelle in NGC 5907 an" in Wissenschaft (20. Februar 2017) DOI: 10.1126/science.aai8635;
ESA-Website; "Der hellste und am weitesten entfernte Pulsar im Universum", abgerufen am 21. Februar 2017.
