NEUTRONENSTERNE
Der Radius von Pulsar PSR J0437-4715
Redaktion / idw / Pressemitteilung der Technischen Universität Darmstadt
astronews.com
15. Juli 2024

Millisekundenpulsare sind rotierende Neutronensterne, die wie Leuchttürme regelmäßig elektromagnetische Signale aussenden. Der Pulsar PSR J0437-4715 ist der erdnächste und damit auch der signal-hellste. Dank neuer Messungen wurde nun sein Radius bestimmt: 11,4 Kilometer. Die Zahl erlaubt wichtige Rückschlüsse auf den Zustand der Materie im Inneren.

Künstlerische Darstellung eines Systems aus Pulsar (rechts) und Weißem Zwerg. Die relative Größe beider Objekte ist nicht maßstabsgetreu. Bild: ESO / L. Calçada   [Großansicht]

PSR J0437 ist ein Pulsar, also ein rotierender Neutronenstern, der elektromagnetische Strahlung aussendet. Er befindet sich etwa 510 Lichtjahre von der Erde entfernt im südlichen Sternbild Maler. PSR J0437 rotiert 174 Mal pro Sekunde um seine Achse und hat einen Weißen Zwerg, also einen kompakten, alten Stern, als Begleiter. Wie ein Leuchtturm sendet der Pulsar alle 5,75 Millisekunden einen Strahl aus Radiowellen und Röntgenstrahlen in Richtung Erde. Er ist der Millisekunden-Pulsar, der der Erde am nächsten ist. Unter anderem wegen dieser Nähe ist er auch der hellste Millisekundenpulsar.

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler um Devarshi Choudhury und Anna Watts von der Universität Amsterdam haben nun seinen Radius bestimmt. Für ihre Messungen nutzten sie Daten des Röntgenteleskops NICER an Bord der Internationalen Raumstation. Sie kombinierten die Röntgendaten mit einer Technik namens Pulsprofil-Modellierung. Mithilfe von Massenmessungen des Parkes Pulsar Timing Array in Australien konnte so der Radius des Sterns bestimmt werden: 11,4 Kilometer. Die Masse von PSR J0437 ist 1,4-mal größer als die unserer Sonne.

Theoretische Kernphysikerinnen und Kernphysiker der TU Darmstadt, darunter Melissa Mendes, Isak Svensson und Achim Schwenk, untersuchten gemeinsam mit Forschenden um Nathan Rutherford von der University of New Hampshire in den USA die Konsequenzen der neuen Radiusmessung für die Eigenschaften dichter Materie im Inneren des Sterns. Mithilfe eines statistischen Formalismus, der neue Berechnungen der Zustandsgleichung für dichte Materie in den äußeren Kilometern des Neutronensterns sowie den verfügbaren NICER- und Gravitationswellen-Beobachtungen von Neutronensternen verbindet, konnten die Forschenden genauere Beschränkungen für die Radien von Neutronensternen und für die Eigenschaften der dichten Materie im Inneren von Neutronensternen ermitteln. Die Arbeit an der TU Darmstadt wurde von Melissa Mendes und Isak Svensson geleitet.

"Unsere Ergebnisse zeigen, dass die neue NICER-Messung die Zustandsgleichung bei mittleren Dichten, die einige Male so hoch sind wie in Atomkernen, stark einschränkt", erklärt Mendes. Dies führt zu einem hohen Druck, aber bei dem kleineren Radius von PSR J0437 erweist sich die Zustandsgleichung als relativ softer. "Diese Arbeit kombiniert die neuesten Informationen, die wir aus der theoretischen Kernphysik und aus astrophysikalischen Beobachtungen haben, um die Physik stark wechselwirkender Materie unter extremen Bedingungen einzugrenzen", sagt Schwenk. "Es wird sehr interessant sein, wie zukünftige NICER- und Gravitationswellen-Beobachtungen die Zustandsgleichung der dichtesten beobachtbaren Materie im Universum weiter einschränken werden."

Die Ergebnisse wurden in einer Reihe von Artikeln in der Fachzeitschrift The Astrophysical Journal Letters bzw. The Astrophysical Journal veröffentlicht.