Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Heimcomputer entdecken rekordverdächtiges Pulsar-Neutronenstern-System

08.12.2016

Ca. 25000 Lichtjahre entfernt kreisen zwei tote Sterne umeinander. Je 20 Kilometer Durchmesser, mehr Masse als unsere Sonne und nur fünf Stunden für eine Umkreisung. Dieses ungewöhnliche Paar wurde von einem internationalen Team unter Beteiligung von zwei MPIs (Gravitationsphysik und Radioastronomie) sowie von Teilnehmern am Computerprojekt „Einstein@Home“ aufgespürt. Bisher kennt man nur 14 solche Systeme und die Neuentdeckung hat die größte Gesamtmasse für beide Komponenten. Mit solchen Systemen werden einige der genauesten Tests von Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie möglich und sie spielen eine große Rolle als mögliche Quellen für den Nachweis von Gravitationswellen mit LIGO.

Neutronensterne sind Überreste von Supernova-Explosionen mit extrem hoher Dichte und extrem starken Magnetfeldern. Vergleichbar mit einem schnell rotierenden kosmischen Leuchtfeuer senden sie zwei stark gebündelte Radiostrahlen in entgegengesetzte Richtungen aus. Liegt die Erde im Bereich eines solchen Strahls, kann der Neutronenstern mit Hilfe großer Radioteleskope als pulsierende Radioquelle am Himmel – als sogenannter Pulsar - aufgespürt werden.


Der Pulsar PSR J1913+1102 wurde im Rahmen des “Einstein@Home”-Projekts auf den Computern von zwei der Teilnehmer an diesem Projekt gefunden, Uwe Tittmar (Deutschland) und Gerald Schrader (USA).

Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik/B. Knispel (Foto), NASA (Pulsardarstellung).


Umlaufbahnen der zwei Komponenten des Doppelneutronensternsystems PSR J1913+1102. Die Größe der Sonne wird im Vergleich dazu dargestellt.

Paulo Freire, MPIfR.

Eine seltene Sorte Pulsar

Die meisten der bisher 2500 bekannten Radiopulsare am Himmel stehen isoliert und rotieren als Einzelsterne im Weltraum. Nur 255 von ihnen (gut 10%) befinden sich in Doppelsternsystemen und davon wiederum nur jeder Zwanzigste im Umlauf mit einem weiteren Neutronenstern.

„Diese seltenen Doppelneutronensternsysteme sind einzigartige Laboratorien für Fundamentalphysik; sie ermöglichen Messungen, die in keinem irdischen Laboratorium durchgeführt werden können“, sagt Bruce Allen, Direktor am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Hannover, Leiter des Einstein@Home-Projekts und Ko-Autor der im „Astrophysical Journal“ veröffentlichten Untersuchung. „Deshalb brauchen wir große Teleskope wie das Arecibo-Observatoriums und empfindliche „Datenanalyse-Maschinen“ wie Einstein@Home, um so viele wie möglich von diesen aufregenden Objekten zu entdecken.“

Entdeckung von PSR J1913+1102 in der PALFA-Pulsardurchmusterung mit Einstein@Home

Die neue Pulsarentdeckung gelang in den Daten des Arecibo-Radioteleskops. Im Rahmen von PALFA (“Pulsar Surveys with the Arecibo L-Feed Array”) führt ein internationales Forscherteam Beobachtungen mit dem Teleskop durch, um neue Radiopulsare zu identifizieren. Mit der PALFA-Durchmusterung konnten bisher 171 Pulsare entdeckt werden. Die Daten werden auch im Rahmen des Einstein@Home-Projekts auf einer Vielzahl vernetzter Computer analysiert; allein damit konnten bisher 31 neue Pulsare identifiziert werden.

Einstein@Home vereint die Computerleistung von mehr als 40.000 Nutzern weltweit, die sich mit rund 50.000 Laptops, PCs und Smartphones an dem Projekt beteiligen. Das Projekt ist eines der größten überhaupt im verteilten Rechnen auf freiwilliger Basis und seine gesamte Computerleistung von 1,7 Petaflops pro Sekunde macht es zu einem der 60 leistungsfähigsten Supercomputer weltweit.

Nach der ursprünglichen Entdeckung des Doppelsternsystems mit Einstein@Home im Februar 2012 führten die PALFA-Wissenschaftler regelmäßige Beobachtungen mit dem Arecibo-Teleskop durch, um die Umlaufbahn des Radiopulsars, der sich in jeweils 27,2 Millisekunden einmal um seine Achse dreht (das entspricht 37 Umdrehungen pro Sekunde) möglichst präzise zu vermessen. Mit diesen Beobachtungen lässt sich zeigen, dass dieses inzwischen als PSR J1913+1102 bezeichnete Objekt (im Namen stecken die Koordinaten der Position am Himmel) aus zwei Sternen besteht, die einander in etwas weniger als fünf Stunden in einem leicht elliptischen Orbit umkreisen (vgl. Abb. 2).

Aus der Verlangsamung der Rotationsperiode mit der Zeit konnten die Wissenschaftler das Magnetfeld des Pulsars berechnen, das einige Milliarden mal stärker ist als das unserer Erde. Für einen Neutronenstern ist dies ein relativ schwacher Wert, der darauf hindeutet, dass in der Vergangenheit Materie vom Begleitstern durch Akkretion aufgenommen wurde. Eine solche Akkretionsphase würde aber auch zu einer kreisförmigen Umlaufbahn führen. Die hingegen beobachtete Elliptizität des Orbits zeigt, dass auch der Begleitstern bereits als Supernova explodiert ist und einen zweiten Neutronenstern in diesem System erzeugt hat. Durch die Supernova-Explosion wurde zwar nicht das gesamte System auseinandergerissen, aber die Umlaufbahnen beider Komponenten wurden elliptischer.

Rekordverdächtiges System zeigt Einsteins Relativitätstheorie in Aktion

Die Forscher haben eine direkte Auswirkung von Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie in diesem Doppelsternsystem nachgewiesen. Wie die Umlaufbahn des Planeten Merkur um die Sonne rotiert auch die elliptische Umlaufbahn des Pulsars mit der Zeit. Während diese Rotation bei Merkur aber nur 0,0001 Grad pro Jahr beträgt, ist sie beim Orbit von J1913+1102 47.000 mal schneller; das sind volle 5,6 Grad pro Jahr. Das Ausmaß dieses Effekts, der relativistischen Periastron-Verschiebung, hängt von der Gesamtmasse des Systems von Radiopulsar und Begleiter ab und ermöglicht so die Berechnung dieser Masse.

„Mit insgesamt 2,88 Sonnenmassen haben wir einen neuen Rekord für die Gesamtmasse eines Systems mit zwei Neutronensternen“, sagt Dr. Paulo Freire, Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn. „Wir würden erwarten, dass der Pulsar mehr Masse aufweist als sein Begleiter, aber mit unseren Beobachtungen konnten wir bislang die Einzelmassen von Pulsar und Begleitstern noch nicht präzise bestimmen. Aber zukünftige Messungen sollten auch das möglich machen.“
Falls der Pulsar in der Tat wesentlich massereicher sein sollte als sein Begleitstern, würde dieses System sich deutlich von allen bis jetzt bekannten Doppelneutronensternsystemen unterscheiden. In diesem Fall könnte es sich sogar als eines der besten bekannten Laboratorien zum Test von alternativen Gravitationstheorien im Vergleich zu Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie erweisen.

Da der Begleitstern ebenfalls ein Neutronenstern ist, könnte er im Prinzip auch als Radiopulsar nachgewiesen werden, vorausgesetzt, dass die Geometrie stimmt und der gebündelte Radiostrahl die Erde überstreicht. Das scheint allerdings für J1913+1102 nicht der Fall zu sein. Die Forscher haben die gesamten Daten sehr sorgfältig auf Radiopulse vom Begleiter hin untersucht, jedoch vergeblich. Es wurde kein Anzeichen für Radiostrahlung vom Begleitstern gefunden.

Potentielle Quellen für LIGO

Während die beiden Neutronensterne einander umkreisen, werden die Orbits kleiner und beide nähern sich einander, da das Gesamtsystem Energie durch Abstrahlung von Gravitationswellen verliert. Die Vermessung dieses Effekts sollte die Bestimmung der Einzelmassen von Pulsar und Begleitstern möglich machen. Die Forscher hoffen, dadurch auch mehr über die wenig bekannte stellare Entwicklung in solchen Doppelsternsystemen und bisher unbekannte Eigenschaften von Materie mit der Dichte eines Atomkerns zu erfahren.

Diese Entdeckungen gewinnen eine zusätzliche Bedeutung im Zeitalter der Gravitationswellenastronomie, das im September 2015 mit dem erstmaligen direkten Nachweis von Gravitationswellen mit den LIGO-Detektoren begonnen hat. „Das Aufspüren von Doppelneutronensternsystemen ähnlich wie J1913+1102 ist wichtig für die Forschung im Bereich der Gravitationswellen. Es hilft uns, besser zu verstehen, in welchem Zeitrahmen solche Systeme miteinander verschmelzen und damit herauszufinden, wie oft Signale von kollidierenden Neutronensternen in Zukunft mit Advanced LIGO entdeckt werden können“, folgert Prof. Michael Kramer, Direktor am Max-Planck-Institut für Radioastronomie.


Das Forscherteam umfasst P. Lazarus, P. C. C. Freire, B. Allen, S. Bogdanov, A. Brazier, F. Camilo, F. Cardoso, S. Chatterjee, J. M. Cordes, F. Crawford, J. S. Deneva, R. Ferdman, J. W. T. Hessels, F. A. Jenet, C. Karako-Argaman, V. M. Kaspi, B. Knispel, R. Lynch, J. van Leeuwen, E. Madsen, M. A. McLaughlin, C. Patel, S. M. Ransom, P. Scholz, A. Seymou, X. Siemens, L. G. Spitler, I. H. Stairs, K. Stovall, J. Swiggum, A. Venkataraman, W. W. Zhu. Vom MPIfR sind Patrick Lazarus, der Erstautor, sowie Paulo Freire, Laura Spitler und W.W. Zhu beteiligt.

Originalveröffentlichung:

P. Lazarus et al.: Einstein@Home Discovery of a Double Neutron Star Binary in the PALFA Survey, publiziert in: The Astrophysical Journal, Volume 831, Issue 2, article id. 150, 8 pp. (2016).

URL: http://iopscience.iop.org/article/10.3847/0004-637X/831/2/150/meta (ArXiv-Server: https://arxiv.org/abs/1608.08211)

Kontakt:

Dr. Paulo Freire,
Max-Planck-Institut für Radioastronomie, Bonn.
Fon: +49 228 525-496
E-mail: pfreire@mpifr-bonn.mpg.de

Prof. Dr. Michael Kramer,
Direktor und Leiter der Forschungsabteilung „Radioastronomische Fundamentalphysik“
Max-Planck-Institut für Radioastronomie, Bonn.
Fon: +49 228 525 278
E-mail: mkramer@mpifr-bonn.mpg.de

Prof. Dr. Bruce Allen,
Direktor und Leiter der Forschungsabteilung „Beobachtungsbasierte Relativität und Kosmologie“
Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik, Hannover
Fon: +49 511 762-17145
E-mail: bruce.allen@aei.mpg.de

Dr. Benjamin Knispel
Pressekontakt
Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik, Hannover
Fon: +49 511 762-19104
E-mail: benjamin.knispel@aei.mpg.de

Dr. Norbert Junkes,
Presse- und Öffentlichkeitsarbeit
Max-Planck-Institut für Radioastronomie, Bonn.
Fon: +49 228 525-399
E-mail: njunkes@mpifr-bonn.mpg.de

Weitere Informationen:

http://www.mpifr-bonn.mpg.de/pressemeldungen/2016/14

Norbert Junkes | Max-Planck-Institut für Radioastronomie

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Alternder Stern bläst Materie von sich
21.09.2017 | ESO Science Outreach Network - Haus der Astronomie

nachricht Wundermaterial Graphen: Gewölbt wie das Polster eines Chesterfield-Sofas
19.09.2017 | Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Hochpräzise Verschaltung in der Hirnrinde

Es ist noch immer weitgehend unbekannt, wie die komplexen neuronalen Netzwerke im Gehirn aufgebaut sind. Insbesondere in der Hirnrinde der Säugetiere, wo Sehen, Denken und Orientierung berechnet werden, sind die Regeln, nach denen die Nervenzellen miteinander verschaltet sind, nur unzureichend erforscht. Wissenschaftler um Moritz Helmstaedter vom Max-Planck-Institut für Hirnforschung in Frankfurt am Main und Helene Schmidt vom Bernstein-Zentrum der Humboldt-Universität in Berlin haben nun in dem Teil der Großhirnrinde, der für die räumliche Orientierung zuständig ist, ein überraschend präzises Verschaltungsmuster der Nervenzellen entdeckt.

Wie die Forscher in Nature berichten (Schmidt et al., 2017. Axonal synapse sorting in medial entorhinal cortex, DOI: 10.1038/nature24005), haben die...

Im Focus: Highly precise wiring in the Cerebral Cortex

Our brains house extremely complex neuronal circuits, whose detailed structures are still largely unknown. This is especially true for the so-called cerebral cortex of mammals, where among other things vision, thoughts or spatial orientation are being computed. Here the rules by which nerve cells are connected to each other are only partly understood. A team of scientists around Moritz Helmstaedter at the Frankfiurt Max Planck Institute for Brain Research and Helene Schmidt (Humboldt University in Berlin) have now discovered a surprisingly precise nerve cell connectivity pattern in the part of the cerebral cortex that is responsible for orienting the individual animal or human in space.

The researchers report online in Nature (Schmidt et al., 2017. Axonal synapse sorting in medial entorhinal cortex, DOI: 10.1038/nature24005) that synapses in...

Im Focus: Tiny lasers from a gallery of whispers

New technique promises tunable laser devices

Whispering gallery mode (WGM) resonators are used to make tiny micro-lasers, sensors, switches, routers and other devices. These tiny structures rely on a...

Im Focus: Wundermaterial Graphen: Gewölbt wie das Polster eines Chesterfield-Sofas

Graphen besitzt extreme Eigenschaften und ist vielseitig verwendbar. Mit einem Trick lassen sich sogar die Spins im Graphen kontrollieren. Dies gelang einem HZB-Team schon vor einiger Zeit: Die Physiker haben dafür eine Lage Graphen auf einem Nickelsubstrat aufgebracht und Goldatome dazwischen eingeschleust. Im Fachblatt 2D Materials zeigen sie nun, warum dies sich derartig stark auf die Spins auswirkt. Graphen kommt so auch als Material für künftige Informationstechnologien infrage, die auf der Verarbeitung von Spins als Informationseinheiten basieren.

Graphen ist wohl die exotischste Form von Kohlenstoff: Alle Atome sind untereinander nur in der Ebene verbunden und bilden ein Netz mit sechseckigen Maschen,...

Im Focus: Hochautomatisiertes Fahren bei Schnee und Regen: Robuste Warnehmung dank intelligentem Sensormix

Schlechte Sichtverhältnisse bei Regen oder Schnellfall sind für Menschen und hochautomatisierte Fahrzeuge eine große Herausforderung. Im europäischen Projekt RobustSENSE haben die Forscher von Fraunhofer FOKUS mit 14 Partnern, darunter die Daimler AG und die Robert Bosch GmbH, in den vergangenen zwei Jahren eine Softwareplattform entwickelt, auf der verschiedene Sensordaten von Kamera, Laser, Radar und weitere Informationen wie Wetterdaten kombiniert werden. Ziel ist, eine robuste und zuverlässige Wahrnehmung der Straßensituation unabhängig von der Komplexität und der Sichtverhältnisse zu gewährleisten. Nach der virtuellen Erprobung des Systems erfolgt nun der Praxistest, unter anderem auf dem Berliner Testfeld für hochautomatisiertes Fahren.

Starker Schneefall, ein Ball rollt auf die Fahrbahn: Selbst ein Mensch kann mitunter nicht schnell genug erkennen, ob dies ein gefährlicher Gegenstand oder...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Höher - schneller - weiter: Der Faktor Mensch in der Luftfahrt

20.09.2017 | Veranstaltungen

Wälder unter Druck: Internationale Tagung zur Rolle von Wäldern in der Landschaft an der Uni Halle

20.09.2017 | Veranstaltungen

7000 Teilnehmer erwartet: 69. Urologen-Kongress startet heute in Dresden

20.09.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Granulare Materie blitzschnell im Bild

21.09.2017 | Verfahrenstechnologie

Hochpräzise Verschaltung in der Hirnrinde

21.09.2017 | Biowissenschaften Chemie

Überleben auf der Schneeball-Erde

21.09.2017 | Biowissenschaften Chemie