Im Universum sind die meisten Sterne paarweise organisiert. Obwohl unsere Sonne alleinstehend ist, umkreisen viele sonnenähnliche Sterne andere Sterne. Besonders interessant sind Kombinationen wie schwarze Löcher, die einander umkreisen. Eine seltene Kombination ist jedoch die zwischen einem sonnenähnlichen Stern und einem Neutronenstern.

Ein Astronomenteam unter der Leitung von Kareem El-Badry vom Caltech hat 21 binäre Systeme identifiziert, in denen Neutronensterne sonnenähnliche Sterne umkreisen. Neutronensterne sind dichte Kerne massereicher Sterne, die eine Supernova-Explosion durchlaufen haben. Diese Sterne sind dunkel und sehr schwach, was ihre direkte Beobachtung erschwert. Obwohl sie deutlich massereicher sind als sonnenähnliche Sterne, umkreisen beide Sterne ein gemeinsames Massezentrum. Dadurch verursachen Neutronensterne leichte Veränderungen in den Positionen ihrer stellaren Partner.

Dank der Gaia-Mission der Europäischen Weltraumorganisation konnten Astronomen diese neue Population dunkler Neutronensterne entdecken. Die Gaia-Mission scannt kontinuierlich den Himmel und misst winzige Verschiebungen von über einer Milliarde Sternen, wodurch die Chancen auf das Auffinden seltener Objekte erhöht werden.

Neue Ergebnisse
Die in der Zeitschrift The Open Journal for Astrophysics veröffentlichte Studie nutzt Daten von mehreren erdgebundenen Teleskopen, darunter das W. M. Keck Observatory auf Maunakea in Hawaii, das La Silla Observatory in Chile und das Whipple Observatory in Arizona. Diese Teleskope halfen dabei, die Gaia-Beobachtungen zu bestätigen und ermöglichten eine detailliertere Untersuchung der Massen und Umlaufbahnen versteckter Neutronensterne.

Obwohl Neutronensterne bereits zuvor in Umlaufbahnen um sonnenähnliche Sterne entdeckt wurden, sind diese Systeme normalerweise viel kompakter. In solchen Systemen kann der Neutronenstern Masse von seinem stellaren Begleiter aufnehmen, was zur Emission heller Röntgenstrahlen oder Radiowellen führt. Im Gegensatz dazu sind die Neutronensterne in dieser Studie viel weiter von ihren Partnern entfernt, etwa ein- bis dreimal die Entfernung zwischen Erde und Sonne, was bedeutet, dass kein Massentransfer stattfindet und sie dunkel bleiben.

Gravitationseffekte
Diese Neutronensterne wurden ausschließlich aufgrund ihrer Gravitationseffekte entdeckt. "Dies sind die ersten Neutronensterne, die ausschließlich aufgrund ihrer Gravitationseffekte entdeckt wurden", sagt El-Badry. Die Entdeckung ist überraschend, da unklar ist, wie ein explodierter Stern in die Nähe eines sonnenähnlichen Sterns gelangen kann.

"Wir haben noch kein vollständiges Modell dafür, wie sich diese binären Systeme bilden", erklärt El-Badry. Grundsätzlich sollte der Vorläufer des Neutronensterns enorm werden und während seiner späten Entwicklung mit dem sonnenähnlichen Stern interagieren. Der massive Stern würde wahrscheinlich vorübergehend den kleineren Stern umschließen. Später würde der Vorläufer des Neutronensterns in einer Supernova explodieren, was laut Modellen die binären Systeme aufbrechen und die Neutronensterne und sonnenähnlichen Sterne in entgegengesetzte Richtungen schicken sollte.

Unerwartete Entdeckungen
"Die Entdeckung dieser neuen Systeme zeigt, dass zumindest einige binäre Systeme diese kataklysmischen Prozesse überleben, obwohl Modelle noch nicht vollständig erklären können, wie", sagt El-Badry.

Gaia konnte diese ungewöhnlichen Partner aufgrund ihrer weiten Umlaufbahnen und langen Perioden finden. Sonnenähnliche Sterne umkreisen Neutronensterne mit Perioden von sechs Monaten bis drei Jahren. "Wenn die Körper zu nahe sind, wird ihre Bewegung zu klein für eine Detektion sein", sagt El-Badry. "Mit der Gaia-Mission sind wir empfindlicher für weitere Umlaufbahnen." Gaia ist auch am empfindlichsten für binäre Systeme, die relativ nahe an der Erde liegen. Die meisten neu entdeckten Systeme befinden sich innerhalb von 3.000 Lichtjahren von der Erde - was eine relativ kleine Entfernung im Vergleich zum Durchmesser der Milchstraße von 100.000 Lichtjahren ist.

Diese neuen Beobachtungen deuten auch darauf hin, wie selten solche Paare sind. "Wir schätzen, dass etwa einer von einer Million sonnenähnlicher Sterne einen Neutronenstern in einer weiten Umlaufbahn umkreist", sagte El-Badry.

Dunkle Schwarze Löcher
El-Badry untersucht auch unsichtbare ruhende Schwarze Löcher, die sonnenähnliche Sterne umkreisen. Mithilfe von Gaia-Daten hat er zwei solcher ruhigen Schwarzen Löcher in unserer Galaxie gefunden. Eines davon, genannt Gaia BH1, ist das der Erde nächstgelegene bekannte Schwarze Loch, nur 1.600 Lichtjahre entfernt.

"Wir wissen immer noch nicht genau, wie sich diese binären Schwarzen Löcher gebildet haben", sagt El-Badry. "Es gibt offensichtliche Lücken in unseren Modellen der binären Sternentwicklung. Das Auffinden weiterer dieser dunklen Begleiter und der Vergleich ihrer Populationsstatistik mit den Vorhersagen verschiedener Modelle wird uns helfen, zusammenzufügen, wie sie sich bilden."

Die Arbeit mit dem Titel "A population of neutron star candidates in wide orbits from Gaia astrometry" wurde von der National Science Foundation, dem Europäischen Forschungsrat und der Gordon und Betty Moore Foundation finanziert. Weitere Autoren von Caltech sind die Doktorandin Natsuko Yamaguchi und der Astronomieprofessor Andrew Howard. Zu den zusätzlichen Autoren gehören Hans-Walter Rix und René Andrae vom Max-Planck-Institut für Astronomie, David Latham und Allyson Bieryla vom Center for Astrophysics/Harvard & Smithsonian, Sahar Shahaf vom Weizmann Institute of Science, Tsevi Mazeh von der Tel Aviv University; Lars Buchhave von der Technischen Universität Dänemark, Howard Isaacson von der UC Berkeley und der University of Southern Queensland; Alessandro Savino von der UC Berkeley und Ilya Ilyin vom Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam.

Quelle: California Institute of Technology