Mithilfe von Daten des Fermi-Gammastrahlen-Weltraumteleskops der NASA und anderer Einrichtungen hat ein internationales Wissenschaftlerteam den ersten Gammastrahlen-Doppelstern in einer anderen Galaxie und den leuchtendsten, der jemals gesehen wurde, gefunden. Das Doppelsternsystem mit dem Namen LMC P3 enthält einen massereichen Stern und einen zerkleinerten Sternkern, die zusammenwirken und eine zyklische Flut von Gammastrahlen, der energiereichsten Form des Lichts, erzeugen.

„Fermi hat nur fünf dieser Systeme in unserer eigenen Galaxie entdeckt, daher ist es ziemlich aufregend, eines zu finden, das so leuchtend und weit entfernt ist“, sagte der leitende Forscher Robin Corbet vom Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt, Maryland. „Gammastrahlen-Doppelsterne werden geschätzt, weil sich die Gammastrahlenleistung während jeder Umlaufbahn und manchmal über längere Zeiträume erheblich ändert. Mit dieser Variante können wir viele der Emissionsprozesse, die bei anderen Gammastrahlenquellen üblich sind, in einzigartiger Detailliertheit untersuchen.“

Diese seltenen Systeme enthalten entweder einen Neutronenstern oder ein Schwarzes Loch und strahlen den größten Teil ihrer Energie in Form von Gammastrahlen ab. Bemerkenswert ist, dass LMC P3 das leuchtstärkste derartige System ist, das in Gammastrahlen, Röntgenstrahlen, Radiowellen und sichtbarem Licht bekannt ist, und es ist erst das zweite, das mit Fermi entdeckt wurde.

Ein Artikel, der die Entdeckung beschreibt, erscheint in der Ausgabe vom 1. Oktober des Astrophysical Journal und ist jetzt online verfügbar .

LMC P3 liegt in den expandierenden Trümmern einer Supernova-Explosion in der Großen Magellanschen Wolke (LMC), einer kleinen nahen Galaxie, etwa 163.000 Lichtjahre entfernt. Im Jahr 2012 fanden Wissenschaftler am Chandra-Röntgenobservatorium der NASA eine starke Röntgenquelle im Supernova-Überrest und zeigten, dass sie einen heißen, jungen Stern umkreist, der ein Vielfaches der Sonnenmasse beträgt. Die Forscher kamen zu dem Schluss, dass es sich bei dem kompakten Objekt entweder um einen Neutronenstern oder ein Schwarzes Loch handelte, und klassifizierten das System als hochmasseigen Röntgenbinärstern (HMXB).

Im Jahr 2015 begann Corbets Team mit der Suche nach neuen Gammastrahlen-Binärdateien in Fermi-Daten, indem es nach den für diese Systeme charakteristischen periodischen Veränderungen suchte. Die Wissenschaftler entdeckten eine 10,3-tägige zyklische Veränderung, die sich in der Nähe einer von mehreren kürzlich im LMC identifizierten Gammastrahlen-Punktquellen konzentrierte. Einer von ihnen, P3 genannt, war nicht mit Objekten verbunden, die bei anderen Wellenlängen gesehen wurden, sondern befand sich in der Nähe des HMXB. Waren sie dasselbe Objekt?

Um das herauszufinden, beobachtete Corbets Team den Doppelstern im Röntgenbereich mit dem Swift-Satelliten der NASA , bei Radiowellenlängen mit dem Australia Telescope Compact Array in der Nähe von Narrabri und im sichtbaren Licht mit dem 4,1 Meter großen Southern Astrophysical Research Telescope auf dem Cerro Pachón in Chile und dem 1,9 Meter hohen Teleskop -Meter-Teleskop am South African Astronomical Observatory in der Nähe von Kapstadt.

Die Swift-Beobachtungen zeigen deutlich den gleichen 10,3-tägigen Emissionszyklus, den Fermi bei Gammastrahlen beobachtet hat. Sie weisen auch darauf hin, dass die hellste Röntgenemission gegenüber dem Gammastrahlenpeak auftritt, d. h. wenn einer sein Maximum erreicht, ist der andere minimal. Radiodaten zeigen die gleiche Periode und phasenverschobene Beziehung zum Gammastrahlenpeak, was bestätigt, dass es sich bei LMC P3 tatsächlich um dasselbe System handelt, das von Chandra untersucht wurde.

„Die optischen Beobachtungen zeigen Veränderungen aufgrund der binären Orbitalbewegung, aber da wir nicht wissen, wie die Umlaufbahn in unsere Sichtlinie geneigt ist, können wir nur die einzelnen Massen schätzen“, sagte Teammitglied Jay Strader, ein Astrophysiker an der Michigan State Universität in East Lansing. „Der Stern hat zwischen dem 25- und 40-fachen der Sonnenmasse, und wenn wir das System in einem Winkel in der Mitte zwischen Front- und Seitenansicht betrachten, was am wahrscheinlichsten erscheint, ist sein Begleiter ein Neutronenstern mit etwa der doppelten Sonnenmasse.“ .“ Wenn wir den Doppelstern jedoch fast von vorne betrachten, muss der Begleiter deutlich massereicher und ein Schwarzes Loch sein.

Beide Objekte entstehen, wenn einem massereichen Stern der Treibstoff ausgeht, er unter seinem eigenen Gewicht zusammenbricht und als Supernova explodiert. Der zerkleinerte Kern des Sterns könnte zu einem Neutronenstern werden, dessen Masse einer halben Million Erden in einer Kugel zusammengedrückt wird, die nicht größer als Washington, D.C. ist. Oder er könnte weiter zu einem Schwarzen Loch verdichtet werden, dessen Gravitationsfeld so stark ist, dass nicht einmal Licht entkommen kann Es.

Die Oberfläche des Sterns im Herzen von LMC P3 hat eine Temperatur von über 60.000 Grad Fahrenheit (33.000 Grad Celsius) und ist damit mehr als sechsmal heißer als die Sonne. Der Stern ist so leuchtend, dass der Druck des von ihm emittierten Lichts tatsächlich Material von der Oberfläche treibt und Partikelausflüsse mit Geschwindigkeiten von mehreren Millionen Meilen pro Stunde erzeugt.

Bei Gammastrahlen-Doppelsternen wird angenommen, dass der kompakte Begleiter einen eigenen „Wind“ erzeugt, der aus Elektronen besteht, die auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden. Die interagierenden Ausströme erzeugen auf der gesamten Umlaufbahn Röntgenstrahlen und Radiowellen. Diese Emissionen werden jedoch am stärksten wahrgenommen, wenn der kompakte Begleiter den erdnächsten Teil seiner Umlaufbahn entlangfliegt.

Durch einen anderen Mechanismus sendet der Elektronenwind auch Gammastrahlen aus. Wenn das Licht des Sterns mit hochenergetischen Elektronen kollidiert, wird es auf Gammastrahlenniveau verstärkt. Dieser Prozess wird als inverse Compton-Streuung bezeichnet und erzeugt mehr Gammastrahlen, wenn der kompakte Begleiter aus unserer Sicht in der Nähe des Sterns auf der anderen Seite seiner Umlaufbahn vorbeizieht.

Vor dem Start von Fermi ging man davon aus, dass es zahlreichere Gammastrahlen-Doppelsterne geben würde, als es tatsächlich der Fall war. Hunderte von HMXBs sind katalogisiert, und es wird angenommen, dass diese Systeme als Gammastrahlen-Doppelsterne nach der Supernova entstanden sind, die das kompakte Objekt bildete.

„Es ist sicherlich eine Überraschung, einen Gammastrahlen-Doppelstern in einer anderen Galaxie zu entdecken, bevor wir mehr davon in unserer eigenen Galaxie finden“, sagte Guillaume Dubus, ein Teammitglied am Institut für Planetologie und Astrophysik von Grenoble in Frankreich. „Eine Möglichkeit besteht darin, dass es sich bei den von Fermi gefundenen Gammastrahlen-Doppelsternen um seltene Fälle handelt, in denen eine Supernova einen Neutronenstern mit außergewöhnlich schneller Drehung gebildet hat, was die Erzeugung beschleunigter Teilchen und Gammastrahlen verbessern würde.“

Das Fermi-Gammastrahlen-Weltraumteleskop der NASA ist eine Partnerschaft zwischen Astrophysik und Teilchenphysik, die in Zusammenarbeit mit dem US-Energieministerium und mit wichtigen Beiträgen akademischer Institutionen und Partner in Frankreich, Deutschland, Italien, Japan, Schweden und den Vereinigten Staaten entwickelt wurde.