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FAST hat masseärmstes Neutronensternpaar entdeckt
Zwei Neutronensterne umkreisen einander in nur 2,36 Stunden und bringen gemeinsam lediglich 2,488 Sonnenmassen auf die Waage. Damit ist PSR J1856-0039 das masseärmste bekannte Doppelneutronensternsystem. Zugleich schrumpft seine Bahn innerhalb der Messunsicherheit so schnell, wie es die Allgemeine Relativitätstheorie für den Energieverlust durch Gravitationswellen vorhersagt.
Peking (China). Doppelneutronensterne entstehen, wenn in einem engen Doppelsternsystem nacheinander zwei massereiche Sterne als Supernova explodieren und jeweils einen Neutronenstern hinterlassen. Nur rund 30 solcher Systeme sind bisher bekannt. Besonders kurze Umlaufzeiten verstärken relativistische Effekte und machen die Paare zu empfindlichen Tests für Gravitationstheorien.
PSR J1856-0039 gehört nun zu den extremsten Vertretern dieser seltenen Systeme. Der sichtbare Pulsar dreht sich alle 23,4 Millisekunden um seine Achse, während beide Neutronensterne ihre gemeinsame Bahn in 2,36 Stunden durchlaufen. Unter den bekannten Doppelneutronensternen ist das die zweitkürzeste Umlaufzeit.
Forscher der National Astronomical Observatories, Chinese Academy of Sciences (NAOC) um Han Jinlin haben PSR J1856-0039 mit dem Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope (FAST) entdeckt. Das Objekt tauchte erstmals im Mai 2020 in einer kurzen Himmelsdurchmusterung auf. Insgesamt wertete das Team 17 Beobachtungssitzungen bis Juni 2025 aus und bestimmte aus den Ankunftszeiten der Radiopulse die Bahn des Systems.
Eine 2,5-stündige Nachbeobachtung im Dezember 2022 deckte einen vollständigen Umlauf ab und bestätigte die kurze Bahnperiode. Die Bahn ist zudem leicht exzentrisch. Aus mehreren relativistischen Veränderungen der Pulsankunftszeiten konnten die Forscher die Massen beider Sterne und die Entwicklung der Umlaufbahn bestimmen.
Das Ergebnis ist ungewöhnlich. Beide Neutronensterne bringen zusammen 2,48841 ± 0,00015 Sonnenmassen auf die Waage. Unter den bestätigten Doppelneutronensternen mit präzise bestimmter Gesamtmasse ist PSR J1856-0039 damit das einzige System unter 2,5 Sonnenmassen.
Auf den pulsierenden Stern entfallen 1,304 ± 0,022 Sonnenmassen, auf seinen Begleiter 1,185 ± 0,022 Sonnenmassen. Der Begleiter gehört damit zu den leichtesten bekannten Neutronensternen. Sein Wert liegt zudem nahe an 1,192 Sonnenmassen, der niedrigsten Masse, die in den von den Autoren herangezogenen dreidimensionalen Supernova-Simulationen für einen neu entstandenen Neutronenstern erreicht wurde. Damit liefert das System einen neuen Anhaltspunkt dafür, wie leicht Neutronensterne bei einer Supernova entstehen können.
Die enge Bahn zeigt drei messbare relativistische Effekte. Der Punkt der größten Annäherung verschiebt sich pro Jahr um 17,5859 Grad, außerdem registrierten die Forscher die sogenannte Einstein-Verzögerung durch gravitative Rotverschiebung und Zeitdilatation. Besonders wichtig ist, dass die Umlaufzeit fortlaufend abnimmt, weil das System Energie in Form von Gravitationswellen verliert.
Für diesen Bahnzerfall ergibt sich ein gemessener Wert von -1,284 ± 0,019 × 10⁻¹² Sekunden pro Sekunde. Das Verhältnis zwischen beobachtetem und von der Allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagtem Bahnzerfall beträgt 1,009 ± 0,014. Innerhalb dieser Unsicherheit stimmen Messung und Vorhersage überein. Korrekturen durch die Eigenbewegung des Pulsars und das Schwerefeld der Milchstraße sind bei der heutigen Messgenauigkeit noch vernachlässigbar.
Durch die stetige Energieabgabe rücken die beiden Sterne weiter zusammen. Nach der Modellrechnung werden sie in rund 82 Millionen Jahren verschmelzen. Wegen der geringen Gesamtmasse halten die Autoren einen stabilen, massereicheren Neutronenstern als Überrest für wahrscheinlich, schließen einen späteren Kollaps zu einem Schwarzen Loch aber nicht aus.