Pulsare sind die sich schnell drehenden Leichen massereicher Sterne. Ein solches Rätsel: Warum haben Pulsare Millionen-Grad-Hotspots um ihre Pole? Neue Daten aus dem XMM-Newton-Röntgenobservatorium der ESA haben Zweifel an der Theorie aufkommen lassen, dass geladene Teilchen an ihren Polen mit der Oberfläche des Pulsars kollidieren. XMM-Newton konnte die Röntgenemissionen in mehreren alten Pulsaren nicht sehen, die sehr hell gewesen sein sollten, wenn Partikel kontinuierlich kollidierten.
Die Überempfindlichkeit des XMM-Newton-Röntgenobservatoriums der ESA hat gezeigt, dass die vorherrschende Theorie, wie Sternkörper, sogenannte Pulsare, ihre Röntgenstrahlen erzeugen, überarbeitet werden muss. Insbesondere kann die Energie, die zur Erzeugung der millionenschweren polaren Hotspots auf kühlenden Neutronensternen benötigt wird, überwiegend aus dem Inneren des Pulsars und nicht von außen kommen.
Vor 39 Jahren entdeckten die Cambridge-Astronomen Jocelyn Bell-Burnell und Anthony Hewish die Pulsare. Diese Himmelsobjekte sind die stark magnetisierten sich drehenden Kerne toter Sterne, die jeweils nur 20 Kilometer breit sind und ungefähr das 1,4-fache der Sonnenmasse enthalten. Noch heute verwirren sie Astronomen auf der ganzen Welt.
„Die Theorie, wie Pulsare ihre Strahlung emittieren, steckt auch nach fast vierzigjähriger Arbeit noch in den Kinderschuhen“, sagt Werner Becker, Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, Garching. Es gibt viele Modelle, aber keine akzeptierte Theorie. Dank neuer XMM-Newton-Beobachtungen haben Becker und Kollegen möglicherweise ein entscheidendes Puzzleteil gefunden, mit dem Theoretiker erklären können, warum kühlende Neutronensterne Hotspots in ihren Polarregionen haben.
Neutronensterne entstehen beim Zusammenbruch massereicher Sterne mit Temperaturen von mehr als einer Milliarde (1012 K) Grad. Sobald sie geboren sind, beginnen sie sich abzukühlen. Wie sie abkühlen, muss von den physikalischen Eigenschaften der in ihnen enthaltenen überdichten Materie abhängen.
Beobachtungen mit früheren Röntgensatelliten haben gezeigt, dass die Röntgenstrahlen von kühlenden Neutronensternen aus drei Regionen des Pulsars stammen. Erstens ist die gesamte Oberfläche so heiß, dass sie Röntgenstrahlen aussendet. Zweitens gibt es geladene Teilchen in der magnetischen Umgebung des Pulsars, die auch Röntgenstrahlen aussenden, wenn sie sich entlang der Magnetfeldlinien nach außen bewegen. Drittens und vor allem für diese jüngste Untersuchung zeigen jüngere Pulsare Röntgen-Hotspots an ihren Polen.
Bisher glaubten Astronomen, dass Hotspots entstehen, wenn die geladenen Teilchen an den Polen mit der Oberfläche des Pulsars kollidieren. Die neuesten XMM-Newton-Ergebnisse haben diese Ansicht jedoch in Zweifel gezogen.
XMM-Newton hat detaillierte Ansichten der Röntgenemission von fünf Pulsaren aufgenommen, von denen jeder bis zu mehreren Millionen Jahre alt war. „Kein anderer Röntgensatellit kann diese Arbeit leisten. Nur XMM-Newton kann Details ihrer Röntgenemission beobachten “, sagt Becker. Er und seine Mitarbeiter fanden keine Hinweise auf Oberflächenemissionen oder polare Hotspots, obwohl sie Emissionen von den sich nach außen bewegenden Partikeln sahen.
Der Mangel an Oberflächenemission ist keine Überraschung. In den mehreren Millionen Jahren seit ihrer Geburt haben sich diese Pulsare von Milliarden Grad auf viel weniger als 500 000 Grad Celsius abgekühlt, was bedeutet, dass ihre oberflächenweite Röntgenemission aus dem Blickfeld verschwunden ist.
Das Fehlen der polaren Hotspots in alten Pulsaren ist jedoch eine große Überraschung und zeigt, dass die Erwärmung der polaren Oberflächenbereiche durch Partikelbeschuss nicht effizient genug ist, um eine signifikante thermische Röntgenkomponente zu erzeugen. „Im Fall des drei Millionen Jahre alten Pulsars PSR B1929 + 10 beträgt der Beitrag einer erhitzten Polarregion weniger als sieben Prozent des gesamten detektierten Röntgenflusses“, sagt Becker.
Es scheint, dass die konventionelle Sichtweise nicht die einzige Möglichkeit ist, das Problem zu betrachten. Eine alternative Theorie besagt, dass die seit seiner Geburt im Pulsar eingeschlossene Wärme durch das intensive Magnetfeld im Pulsar zu den Polen geleitet wird. Dies liegt daran, dass die Wärme auf Elektronen übertragen wird, die elektrisch geladen sind und daher von Magnetfeldern geleitet werden.
Dies bedeutet, dass die polaren Hot Spots in jüngeren Pulsaren überwiegend durch Wärme innerhalb des Pulsars und nicht durch Kollision von Partikeln von außerhalb des Pulsars erzeugt werden. Sie werden daher auf die gleiche Weise wie die oberflächenweite Emission aus dem Blickfeld verschwinden. „Diese Ansicht wird noch diskutiert, wird aber von den neuen XMM-Newton-Beobachtungen sehr unterstützt“, sagt Becker.
Fast vierzig Jahre nach der Entdeckung der Pulsare scheinen alte Pulsare immer noch neue Tricks zu haben, um Astronomen zu unterrichten.
Originalquelle: ESA-Pressemitteilung
