Ein exotisches Sterntrio mit Millisekundenpulsar

Der erste Millisekundenpulsars in einem Dreifachsternsystem stellt gängige Modelle in Frage. Thomas Tauris (Bonn) und Ed van den Heuvel (Amsterdam) haben nun ein Modell entwickelt, mit dem die Entstehung eines solchen Systems erklärt werden kann.

Mit theoretischen Berechnungen auf der Basis von Sternentwicklungsrechnungen konnten sie neue Erkenntnisse über die Wechselwirkungen von Sternen in Mehrfachsternsystemen gewinnen. Dadurch kann auch die wachsende Zahl gefundener Millisekundenpulsare durch ihre Entstehung in Dreifachsystemen erklärt werden.

Pulsare gehören zu den extremsten bekannten Himmelskörpern. Sie haben einen Durchmesser von nur ungefähr 20 Kilometern, sind aber gleichzeitig massereicher als unsere Sonne. Pulsare entstehen als Überreste von gewaltigen Supernova-Explosionen massereicher Sterne. Die am schnellsten rotierenden Neutronensterne werden als Millisekunden-Pulsare bezeichnet. Man nimmt an, dass es sich dabei um alte Neutronensterne mit einem starken Magnetfeld handelt, die durch die Aufnahme von Masse und Drehmoment von einem Begleitstern in einem Doppelsternsystem auf eine sehr schnelle Eigendrehung beschleunigt worden sind. Heute kennt man rund 200 solcher Millisekundenpulsare, die nur zwischen 1,4 und 10 Millisekunden für eine komplette Umdrehung benötigen. Man findet sie sowohl in der flachen Scheibe unserer Milchstraße wie auch in Kugelsternhaufen.

Seit der Entdeckung des ersten Millisekundenpulsars im Jahr 1974 haben sich theoretische Astrophysiker damit beschäftigt, die Entstehung dieser Pulsare durch Massenübertrag und andere Wechselwirkungen in Doppelsternsystemen nachzuvollziehen. Eine überraschende neue Entdeckung zeigt jetzt einen Millisekundenpulsar innerhalb eines Dreifachsternsystems mit zwei Weißen Zwergen als Begleitsternen. Sie liefert den Stellarastronomen eine einmalige Chance, mit ihren Modellrechnungen die Entstehung eines solchen Systems zu erklären.

„Das ist ein wirklich erstaunliches System mit gleich drei degenerierten Sternen in der Endphase ihrer Entwicklung. Es hat drei Phasen von Massenübertragung und eine Supernova-Explosion überlebt und ist dabei dynamisch stabil geblieben“, sagt Thomas Tauris, theoretischer Astrophysiker und Erstautor der Studie. „Pulsare mit Planeten hat man sind vorher bereits entdeckt und in den vergangenen Jahren haben meine Kollegen aus der beobachtenden Astronomie eine ganze Reihe von Pulsaren mit besonderen Eigenschaften in Doppelsternsystemen entdeckt, die von der Theorie her ihren Ursprung in einem Dreifachsystem haben sollten. Aber dieser neue Millisekundenpulsar ist nun der erste, der wirklich mit zwei Weißen Zwergen als Begleitsternen gefunden werden konnte.“

Der neue Millisekundenpulsar in einem Dreifachsternsystem, mit der Bezeichnung J0337+1715, wurde in amerikanisch-europäischer Zusammenarbeit unter der Leitung von Scott Ransom vom amerikanischen National Radio Astronomy Observatory (NRAO) entdeckt. Das System befindet sich in Richtung des Sternbilds Stier (Taurus) in einer Entfernung von ungefähr 4000 Lichtjahren. Es liegt in der Scheibe unserer Milchstraße, und nicht etwa in einem Kugelsternhaufen. Aus diesem Grund kann es auch nicht einfach durch Wechselwirkung von Sternen in einer dichten Sternumgebung (wie im Inneren von Kugelsternhaufen) erklärt werden. Während der vergangenen sechs Monate haben Thomas Tauris und Ed van den Heuvel ein halbanalytisches Modell entwickelt, um die Entstehung dieses Systems zu erklären. Eines der Schlüsselresultate ihrer Arbeit liegt darin, dass sie aus den beobachteten Eigenschaften ableiten können, dass beide Weißen Zwerge tatsächlich innerhalb dieses Systems gebildet wurden.

Dreifachsternsysteme werden im Rahmen ihrer Entwicklung oft dynamisch unstabil, wobei eine der Komponenten aus dem System herausgeschleudert wird. Damit wurde es eine größere Herausforderung, eine Modelllösung zu finden, bei der das System über seine gesamte Entwicklung inklusive der Supernova-Explosion dynamisch stabil bleibt. „Ein interessanter Aspekt unserer Forschungsarbeit liegt darin, dass eine der Entwicklungsphasen eine gemeinsame Hülle aufwies, wobei beide Vorläufersterne der Weißen Zwerge durch Reibungskräfte in die Hülle des massereichen Sterns gezogen wurden“, sagt Ed van den Heuvel. „Dadurch wurden ihre Bahnradien deutlich verkleinert, und sie wurden durch die nachfolgende Explosion nicht aus ihrer Bahn geschleudert.“

„Wir können jetzt eine ganze Reihe von Tests zur Sternentwicklung auf dieses neue System anwenden und sogar Vorhersagen über seine dreidimensionale Geschwindigkeitsverteilung machen, die innerhalb der nächsten Jahre messbar werden dürfte“, schließt Thomas Tauris. „Dadurch wird es möglich, auf die Masse des explodierenden Sterns zurückzuschließen.“

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Diese Arbeit profitiert von der engen Zusammenarbeit zweier Forschungsgruppen in Bonn, der Abteilung Radioastronomische Fundamentalphysik am Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR) unter der Leitung von Michael Kramer, und der Abteilung Stellarphysik am Argelander-Institut für Astronomie (AIfA) der Universität Bonn unter der Leitung von Norbert Langer. Michael Kramer und seine Kollegen haben Beobachtungszeit am 100m-Radioteleskop Effelsberg im Rahmen einer Reihe von Pulsar-Suchprogrammen, speziell zur Entdeckung von neuen Millisekundenpulsare, deren Entstehung und E ntwicklung von den Stellarphysikern am AIfA berechnet werden kann.

Thomas Tauris arbeitet seit 2010 als Forschungsprofessor am Argelander-Institut für Astronomie der Universität Bonn (AIfA) und am Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR). Einige seiner Arbeiten zur Nachbeschleunigung von Millisekundenpulsaren wurden zusammen mit Norbert Langer, Michael Kramer und weiteren Kollegen in Bonn veröffentlicht. Ein eintägiger internationaler Workshop unter dem Titel Formation and Evolution of Neutron stars wird zweimal pro Jahr von beiden Instituten gemeinsam ausgerichtet.

Originalveröffentlichung:

Formation of the Galactic Millisecond Pulsar Triple System PSR J0337+1715 – a Neutron Star with Two Orbiting White Dwarfs , T. M. Tauris & E. P. J. van den Heuvel, 2014, Astrophysical Journal Letters, Online-Ausgabe vom 6. Januar 2014.

Veröffentlichung zur Pulsarentdeckung:

A millisecond pulsar in a stellar triple system, S.M. Ransom et al., 2014, Nature Online Publishing, doi:10.1038/nature12917.

http://www.nature.com/nature/journal/vaop/ncurrent/abs/nature12917.html

Lokaler Kontakt:

Dr. Thomas M. Tauris
Argelander-Institut für Astronomie der Univ. Bonn
& Max-Planck-Institut für Radioastronomie
Phone: +49(0)228-73-3660
E-mail: tauris@astro.uni-bonn.de
Prof. Dr. Michael Kramer,
Direktor und Leiter der Forschungsabteilung „Radioastronomische Fundamentalphysik“,
Max-Planck-Institut für Radioastronomie, Bonn.
Phone: +49(0)228-525-278
E-mail: mkramer@mpifr-bonn.mpg.de
Dr. Norbert Junkes,
Max-Planck-Institut für Radioastronomie.
Press and Public Outreach,
Phone: +49(0)228-525-399
E-mail: njunkes@mpifr-bonn.mpg.de
Kontaktdaten Ko-autor:
Prof. Dr. Ed van den Heuvel
Astronomical Institute `Anton Pannekoek´
Universiteit van Amsterdam
Phone: +31 (0) 20 525 7493
E-mail: E.P.J.vandenHeuvel@uva.nl