Astronomen haben zum ersten Mal einen seltsamen Strahl aufgezeichnet, der einem Gartensprinkler von einem Neutronenstern ähnelt.

Die S-förmige Struktur des Strahls entsteht aufgrund der sich ändernden Richtung des Strahls, verursacht durch das Wackeln der heißen Gas-Scheibe um den Stern – ein Prozess, der als Präzession bekannt ist und bei Schwarzen Löchern, aber noch nie bei Neutronensternen beobachtet wurde.

Dieses Objekt befindet sich im Binärsystem Circinus X-1, mehr als 30.000 Lichtjahre von der Erde entfernt, und wurde aus dem Kern eines massiven Überriesensterns gebildet, der etwa zur Zeit des Baus von Stonehenge kollabierte.

Dieses Objekt ist so dicht, dass ein Teelöffel seines Materials so viel wiegt wie der Mount Everest.

Binärsysteme bestehen aus zwei gravitativ miteinander verbundenen Sternen. Im Fall von Circinus X-1 ist einer dieser Sterne ein Neutronenstern.

Neutronensterne und Schwarze Löcher sind kosmische Monster, die entstehen, wenn die größten Sterne im Universum sterben und unter ihrer eigenen Schwerkraft kollabieren. Schwarze Löcher sind viel massereicher und können nur durch ihre gravitativen Effekte entdeckt werden, während Neutronensterne trotz ihrer Dichte direkt beobachtet werden können.

Sie sind einige der extremsten Objekte im Universum mit Innenräumen, die fast vollständig aus Neutronen bestehen.

Der Strahl, der vom Neutronenstern ausgeht, wurde von einem Team von Astronomen der Universität Oxford beobachtet, das MeerKAT – ein Radioteleskop in Südafrika – verwendete, um die detailliertesten Bilder von Circinus X-1 bis heute zu erstellen.

Erste Beobachtung eines S-förmigen Strahls
Diese Bilder, die auf der National Astronomy Meeting an der Universität Hull präsentiert wurden, beinhalten das erste Bild eines S-förmigen Strahls, der von einem bestätigten Neutronenstern ausgeht. Dies ist ein Durchbruch, der helfen könnte, die extreme Physik hinter diesem astronomischen Phänomen zu verstehen.

Forschungsleiter Fraser Cowie erklärte, dass es ein weiteres System gibt, das für S-förmige Strahlen bekannt ist, genannt SS433, aber neuere Ergebnisse deuten darauf hin, dass dieses Objekt wahrscheinlich ein Schwarzes Loch ist.

"Dieses Bild zeigt zum ersten Mal starke Beweise für einen präzedierenden Strahl von einem bestätigten Neutronenstern", sagte Cowie.

"Diese Beweise stammen aus der symmetrischen S-Form des radioemittierenden Plasmas in den Strahlen und aus den schnellen, breiten Stoßwellen, die nur durch einen Strahl erzeugt werden können, der die Richtung ändert."

"Dies wird wertvolle Informationen über die extreme Physik hinter dem Starten von Strahlen liefern, ein Phänomen, das noch nicht gut verstanden wird."

Die immense Dichte des Neutronensterns erzeugt eine starke Gravitationskraft, die Gas vom Begleitstern abstreift und eine Scheibe heißen Gases um ihn herum erzeugt, die spiralförmig auf seine Oberfläche zuströmt.

Dieser Prozess, genannt Akkretion, setzt enorme Mengen an Energie pro Sekunde frei, mit mehr Kraft als eine Million Sonnen. Ein Teil dieser Energie treibt die Strahlen an – schmale Materiestrahlen, die mit nahezu Lichtgeschwindigkeit aus dem Binärsystem schießen.

Forschungsergebnisse und nächste Schritte
Kürzliche Aufrüstungen des MeerKAT-Teleskops haben zu ausgezeichneter Empfindlichkeit und hochauflösenden Bildern geführt. Dank dieser Verbesserungen hat das Team klare Beweise für die S-förmige Struktur, ähnlich wie Wasser, das aus einem Gartensprinkler spritzt, im Strahl von Circinus X-1 beobachtet.

Darüber hinaus entdeckten Forscher bewegende Stoßwellen – zum ersten Mal aus einem Röntgen-Binärsystem aufgezeichnet. Dies sind Bereiche, in denen der Strahl gewaltsam auf umgebendes Material trifft und eine Stoßwelle verursacht.

Das Team maß die Wellen, die sich mit etwa 10 Prozent der Lichtgeschwindigkeit bewegten, und bestätigte, dass sie durch einen schnellen Strahl verursacht wurden, nicht durch etwas Langsameres wie Materialwinde von Sternen.

"Die Tatsache, dass diese Stoßwellen einen weiten Winkel abdecken, passt zu unserem Modell," sagte Cowie. "Wir haben also zwei starke Beweise, die uns sagen, dass der Neutronensternstrahl präzediert."

Die Messung der Geschwindigkeit der Stoßwellen wird den Astronomen auch helfen zu verstehen, woraus der Strahl besteht, der sie verursacht. Stoßwellen wirken als Teilchenbeschleuniger im Weltraum und erzeugen hochenergetische kosmische Strahlen, und die maximale Energie der Teilchen, die beschleunigt werden können, hängt von ihrer Geschwindigkeit ab.

"Circinus X-1 ist eines der hellsten Objekte am Röntgenhimmel und wurde mehr als ein halbes Jahrhundert lang untersucht," sagte Cowie. "Trotzdem bleibt es eines der rätselhaftesten Systeme, die wir kennen."

"Die nächsten Schritte werden darin bestehen, die Strahlen weiterhin zu beobachten und zu sehen, ob sie sich im Laufe der Zeit auf die Weise ändern, die wir erwarten. Dies wird es uns ermöglichen, ihre Eigenschaften genauer zu messen und mehr über dieses rätselhafte Objekt zu lernen."

Die Forschung wurde im Rahmen der Projekte X-KAT und ThunderKAT am MeerKAT-Teleskop durchgeführt, das vom South African Radio Astronomy Observatory (SARAO) betrieben wird. Die Beobachtungen wurden mit kürzlich installierten S-Band-Empfängern durchgeführt, die vom Max-Planck-Institut (MPG) bereitgestellt wurden.

Quelle: Royal Astronomical Society