Die X-Akten der Astronomie: Die Untoten und ihre Geisterplaneten

Dank immer besserer Technologie, innovativer Ansätze und internationaler Zusammenarbeit blüht die Astronomie auf. Während viele Beobachtungen helfen, Theorien zu verfeinern oder zu zerstreuen, gibt es immer Entdeckungen, die einfach nicht zu passen scheinen. Geheimnisvolle Signale, angebliche Verstöße gegen Naturgesetze und – noch – nicht erklärbare Phänomene. Die Öffentlichkeit diskutiert gerne, ob es Spuren außerirdischer Intelligenz gibt. Wissenschaftler wissen, dass es am Ende fast immer eine natürliche Erklärung gibt. Aber die Fantasie wird überall angeregt.

In einer Reihe von Artikeln über heise online in den nächsten Wochen werden wir einige dieser astronomischen Anomalien aus einer kürzlich präsentierten Sammlung vorstellen und erklären, warum alle Versuche, sie bisher zu erklären, fehlgeschlagen sind.

Können Planeten überleben, wenn ihr Stern zur Supernova wird? Bei der Beantwortung dieser Frage hilft es, den Verlauf einer klassischen Supernova zu visualisieren – der „Core Collapse Supernova“. Am Ende ihres Lebens verschmelzen immer schwerere Elemente in immer kürzerer Folge im Zentrum massereicher Sterne. Wenn nicht mehr genügend Brennstoff für eine Kernreaktion vorhanden ist und der Strahlungsdruck abfällt, komprimiert das Gewicht des Sterns sein Inneres und erwärmt es, bis sich der nächsthöhere Fusionsschritt entzündet, der den Stern mit seinem Strahlungsdruck weiter stabilisiert.

Endgültiger Zusammenbruch

Mit Eisen wird schließlich das Ende des Fahnenmastes erreicht – durch die Fusion von Eisen wird keine Energie mehr freigesetzt, sondern im Gegenteil, Energie bindet und der stabilisierende Strahlungsdruck verschwindet plötzlich. Während der Kern von bis zu 1,4 Sonnenmassen durch die Degeneration der Elektronen stabilisiert wird und in Sternen mit weniger als 10 Sonnenmassen als weißer Zwerg endet, reicht dies für schwerere Sterne nicht mehr aus: Die Elektronen werden in die Atomkerne gedrückt und verbinden sich mit Freisetzung von Tonnen von Neutrinos mit den Protonen zu Neutronen, wobei nichts als Neutronen von den Atomen übrig bleiben.

Die Neutronen nehmen viel weniger Platz ein als die früheren Eisenatome, und der Eisenkern mit einem Durchmesser von etwa 10.000 km kollabiert plötzlich unter seinem Gewicht und bildet eine Neutronen-Kugel mit einem Durchmesser von 20 bis 30 km – einen Neutronenstern. Sterne mit mehr als 25 Sonnenmassen fallen in ein Schwarzes Loch, aber darüber sprechen wir hier nicht.

Zurück zum neu gebildeten Neutronenstern wird die Sternmaterie, die im neu gebildeten Hohlraum flach darauf fällt, durch die zurückkehrende Stoßwelle so stark komprimiert und erwärmt, dass ein Großteil des Sterns thermonuklear detoniert – eine riesige Wasserstoffbombe. In einer Supernova setzt ein Stern innerhalb von Sekunden eine Energie von 10⁴⁴ Watt Sekunden frei. Das ist ungefähr die Energiemenge, die unsere Sonne bei der aktuellen Lichtintensität innerhalb von 10 Milliarden Jahren produzieren wird.

Der Physiker Randall Monroe hat seine xkcd Seite aller Dingedass die Helligkeit einer Supernova in einer Entfernung von der Erde zur Sonne etwa eine Milliarde Mal heller ist als eine Wasserstoffbombe, die direkt vor dem Auge explodiert – weil eine Wasserstoffbombe nur wenige Kilogramm Wasserstoff schmilzt, während es sich um die Supernova 2 bis 5 handelt * 10³¹ Kilogramm sind. Selbst nach der Explosion scheint der Stern aufgrund der ausgestoßenen Fusionsprodukte wochenlang mit der zehn Milliardenfachen Helligkeit der Sonne mehrere Zehntausend Erdmassen von radioaktivem Nickel-56, das über Kobalt-56 zu Eisen-56 abgebaut wird.

Die Explosion führt dazu, dass der vorherige Stern (Vorläufer) einen Großteil seiner Masse verliert, die mit Tausenden von Kilometern pro Sekunde in den Weltraum geworfen wird. Oft findet die Explosion asymmetrisch statt und der verbleibende Neutronenstern erhält einen Tritt von Hunderten von Kilometern pro Sekunde vom gezielten Rückstoß.

Können Planeten so etwas überleben? Sicherlich nicht. Wenn der Stern mit seiner ausgestoßenen Materie nicht geschmolzen und weggeblasen wird, verliert er einen großen Teil seiner Masse – die zuvor mehr als zehn Sonnenmassen hinterlassen einen Neutronenstern von 1,4 bis etwa 2,8 Sonnenmassen, dessen Fluchtgeschwindigkeit niedriger ist als die Umlaufgeschwindigkeit des vorherigen Sterns. Vermutliche Planetenreste sollten also in alle Richtungen wegfliegen. Zumindest dachten die Leute das vor 30 Jahren.

Ungebetene Gäste

Cut – wir sind Anfang der neunziger Jahre. Kein Planet außerhalb des Sonnensystems wurde bisher entdeckt. Zum ersten Mal war es technisch weit genug fortgeschritten, um Exoplaneten zu erkennen, und man hoffte, dass sie mit hoher Auflösung erkannt werden konnten Echelle-Spektrographenzum Nachweis der neuen CCD-Sensortechnologie und der computergestützten Bildverarbeitung in den Spektrallinien eines Fixsterns. Aufgrund der Masse der umlaufenden Planeten würde der Stern zu einer Taumelbewegung um den Schwerpunkt des Systems, den Schwerpunkt, gezwungen, die sich aufgrund des Doppler-Effekts als kleine periodische Verschiebung seiner Spektrallinien manifestieren sollte.

Doch bevor die Schweizer Astronomen Michel Mayor und Didier Queloz, die letztes Jahr den Nobelpreis gewonnen hatten, 1995 die erste Entdeckung eines Exoplaneten um einen gewöhnlichen Stern machten, stürmten ungebetene Gäste die Premiere, was zu langen Gesichtern und großer Verwirrung führte. Das polnisch-kanadische Team der Radioastronomen Alexander Wolszczan und Dale Frail hatte bereits am 9. Januar 1992 in der Zeitschrift Nature berichtet, dass es ihnen gelungen war, mit dem 300-Meter-Radioteleskop Arecibo zu beweisen, dass sie am 2. Februar 1990 Folgendes entdeckt hatten: Bei 2.300 Lichtjahren In einiger Entfernung wird der Pulsar PSR B1257 + 12 im Sternbild Jungfrau von mindestens zwei Exoplaneten umkreist.

Pulsare – 1967 von Jocelyn Bell entdeckt, für die ihr Promoter 1974 den Nobelpreis gewann – sind Neutronensterne, die regelmäßige Radiowellenimpulse mit der Präzision einer Atomuhr aussenden. Sie haben ein starkes Magnetfeld, dessen Achse gegen die Rotationsachse geneigt ist und das geladene Teilchen in ihrer Umgebung beschleunigt. Beschleunigte Ladung erzeugt Funkwellen. Jedes Mal, wenn die Magnetachse infolge der Drehung kurz die Sichtlinie zur Erde überstreicht, trifft uns diese Funkemission, ähnlich wie der sich drehende Scheinwerferkegel eines Leuchtturms den Betrachter regelmäßig trifft.

Kosmische Summengipfel

Typischerweise liegt die Herzfrequenz in der Größenordnung von einer Sekunde oder weniger. Einige Neutronensterne drehen sich jedoch extrem schnell – bis auf Millisekunden. Der schnellste bekannte dreht sich 716 Mal pro Sekunde und sendet daher alle 1,4 Millisekunden einen Impuls in Richtung Erde. Es wird sicherlich angenommen, dass sich die Millisekundenpulsare nicht nur aufgrund der schnellen Rotation ihres Vorfahren so schnell drehen, sondern dass sie Materie eingefangen haben, die von einem Begleitstern übergelaufen ist.

Diese Materie sammelt sich zunächst in einer rotierenden Akkretionsscheibe um den Pulsar, wo sie Energie durch Reibung, Erwärmung und Strahlung abbauen muss, um sich allmählich auf den Neutronenstern zu drehen. Der Drehimpuls bleibt erhalten und wird auf den Neutronenstern übertragen, der sich immer schneller in Richtung des einfallenden Materials dreht. Auf diese Weise wurden Millisekundenpulsare zu einer immer schnelleren Rotation getrieben. PSR B1257 + 12 ist ein weiterer Millisekundenpulsar, der seine Impulse 160,8 Mal pro Sekunde zur Erde sendet. Wenn Sie seine Impulse hörbar machen könnten, würde es wie ein bassiges Summen klingen.

Wolszczan und Frail verwendeten die genauen Impulse, um die Signaturen der Planeten darin zu lokalisieren. Wie bei normalen Sternen zwingen die umlaufenden Planeten den Pulsar, um den Schwerpunkt zu taumeln. Dies zeigt sich auch hier am Doppler-Effekt: Statt schwingender Spektrallinien haben Wolszczan und Frail gemessen, wie sich die Impulse des Pulsars etwas verlangsamten, als er sich in seiner Umlaufbahn von der Erde entfernte und beschleunigte, wenn er sich ihm wieder näherte. sagen wir, der Puls wurde moduliert.

Eine detailliertere Analyse der Modulation ergab die überlagerten Schwingungen zweier Planeten, aus deren Periode die Umlaufzeiten und aus deren Amplituden die jeweiligen Massen der Planeten im Verhältnis zu denen des Pulsars folgten. Die Symmetrie der Schwingungen deutete auf nahezu perfekt kreisförmige Bahnen hin. Demnach hatten die Planeten (nach heutigen Zahlen) 4,13 und 3,82 Erdmassen und ihre Abstände vom Pulsar betrugen 0,36 AE (astronomische Einheit, d. H. Die mittlere Entfernung von der Erde zur Sonne) und 0,46 AU. Im Vergleich dazu umkreist Merkur, der innerste Planet der Sonne, ihn in einer durchschnittlichen Entfernung von 0,39 AE. Die Umlaufzeiten der Pulsarplaneten betrugen 66,5 und 98,2 Erdentage.