ZWEI TOTE STERNE AUF DER GESTRECKTESTEN BAHN, DIE JE BEOBACHTET WURDE

Paare von Neutronensternen – den kollabierten Kernen, die massereiche Sterne hinterlassen – umkreisen einander und verlieren langsam Energie in Form von Gravitationswellen. Das erste wurde 1974 gefunden (PSR B1913+16), heute kennt man mehr als 30. Manche verschmelzen schließlich und erzeugen Ereignisse wie GW170817 und GW190425, die LIGO nachgewiesen hat. Wie viele solcher Paare in der Milchstraße überleben und auf welchen Bahnen, sind grundlegende Fragen für die Gravitationswellenastronomie und für die Geschichte, wie sich Doppelsterne entwickeln.

Eine Rekordbahn

PSR J0653+0443 ist ein Pulsar – ein Neutronenstern, dessen Radiostrahl wie ein Leuchtturm über die Erde streicht –, der sich alle 47,5 Millisekunden einmal dreht. Er wurde am 20. November 2022 erstmals von Chinas Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope (FAST) entdeckt und liegt etwa 1 Kiloparsec entfernt (rund 3.000 Lichtjahre), im Perseus-Arm der Galaxis.

Durch die Zeitmessung seiner Pulse über mehr als zwei Jahre fanden Z. L. Yang, J. L. Han und Kollegen von den Nationalen Astronomischen Observatorien Chinas und Partneruniversitäten heraus, dass er einen anderen Neutronenstern umkreist. Die Massen: 1,38 Sonnenmassen für den Pulsar, 1,44 für seinen Begleiter.

Die Bahn ist außergewöhnlich:

eine Periode von 79,084 Tagen, die längste aller bekannten Doppelneutronensterne;
eine Exzentrizität – 0 für einen Kreis, nahe 1 für eine Bahn, die fast zu einer offenen Kurve gestreckt ist – von 0,99238692 – die höchste, die je für ein Sternpaar gemessen wurde; der bisherige Rekord, für einen gewöhnlichen Doppelstern, lag bei 0,985;
nur 46 Minuten, um von einer Seite des Begleiters zur anderen zu gelangen, während der Großteil der 79 Tage weit entfernt verbracht wird;
bei größter Annäherung ein Abstand von 0,83 Sonnenradien, etwa 580.000 km – weniger als der Radius der Sonne selbst –, und eine Relativgeschwindigkeit von 1.140 Kilometern pro Sekunde, die höchste aller bekannten Doppelneutronensterne.

FAST ist eine feste Schüssel: Es sieht nur ein Band des Himmels über sich, und die größte Annäherung fällt nicht immer hinein. Zwischen 2025 und 2028 fallen nur zwei Vorbeiflüge in sein Blickfeld: der 19. Februar 2025 und der 21. April 2027. Das Team verfolgte den ersten zwei Stunden lang, mit einer Messung pro Minute.

Eine Verfinsterung und eine taumelnde Ellipse

Während dieses Vorbeiflugs verschwand das Radiosignal des Pulsars für 85 Sekunden, als er hinter die magnetische Umgebung seines Begleiters trat. Das bedeutet, dass wir die Bahn fast genau von der Kante sehen. Es ist erst die zweite Verfinsterung, die je bei einem Doppelneutronenstern beobachtet wurde, nach dem berühmten Doppelpulsar PSR J0737−3039A.

Die allgemeine Relativitätstheorie lässt die Ellipse sich langsam drehen – die Periastrondrehung – der Punkt der größten Annäherung wandert langsam herum –, hier gemessen mit 0,017791 Grad pro Jahr, wie vorhergesagt. Diese Drehung ist aber nicht gleichmäßig: Sie beschleunigt sich nahe der größten Annäherung. Auf dieser fast parabolischen Bahn dreht sich die Ausrichtung der Bahn noch während des Vorbeiflugs selbst, bewegt den Pulsar auf uns zu und dann von uns weg und schiebt seine Pulse dadurch vor und dann zurück, um −2,91 bis +2,49 Millisekunden, mehr als zehnmal so viel wie in jedem anderen solchen System.

Geboren aus einem heftigen Stoß

Man nimmt an, dass solche Paare aus zwei massereichen Sternen hervorgehen, die nacheinander explodieren. Nach Ansicht der Autoren kann die extreme Exzentrizität nur von einem großen „Kick“ stammen, den der zweite Neutronenstern erhielt, als der Eisenkern seines Vorgängersterns kollabierte. Ihre Simulationen deuten auf einen Stoß von mehr als etwa 400 Kilometern pro Sekunde hin.

Sie simulierten außerdem etwa eine Milliarde massereicher Doppelsterne. Unter den überlebenden Doppelneutronensternen machen jene mit einer Exzentrizität über 0,95 und einer Periode von 50 bis 110 Tagen weniger als 0,5 % aus. Dennoch tauchte dieser unter nur 28 bekannten außerhalb von Kugelsternhaufen, in der galaktischen Scheibe, auf. In den Worten der Autoren: „Entweder haben wir großes Glück, oder die aktuelle Theorie der Doppelsternentwicklung und das derzeitige Verständnis von Kernkollaps-Supernovae müssen geändert werden.“

Gravitationswellen in Schüben

Weil die beiden Sterne einander nur alle 79 Tage nahekommen, senden sie Gravitationswellen in periodischen Schüben aus. Die Emission erreicht ihr Maximum bei etwa 0,357 Millihertz, ein Zyklus alle 47 Minuten – die Dauer der engsten Begegnung. Das ist zu schwach für die geplanten Weltraum-Gravitationswellenobservatorien LISA, Taiji und TianQin, aber vorgeschlagene künftige Konzepte wie LISAmax könnten es über zehn Jahre nachweisen. Das Paar wird in etwa 2,5 Milliarden Jahren verschmelzen, in einem Ereignis wie GW170817.