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Wenn wir einen Pulsar in einer engen elliptischen Umlaufbahn um ein Schwarzes Loch lokalisieren würden, könnte dies wichtige Informationen über das Schwarze Loch liefern (z. B. Zeitdilatation / Struktur)? Könnte uns dies sogar die Struktur eines Schwarzen Lochs sagen (z. B. wenn es sich um eine Singularität oder eine um den Ereignishorizont gebildete Kugel oder etwas anderes handelt)?
Ja. Und wir suchen aktiv nach diesen Systemen, z.B. mit dem Pulsar Timing Array und "bald" mit Instrumenten wie SKA.
Aus dem Astro2020 Science White Paper über fundamentale Physik mit Radio-Millisekunden-Pulsaren:
Eine breite Klasse alternativer Theorien beruft sich auf die Gravitationsvermittlung durch Tensor- und Skalarfelder, während die allgemeine Relativitätstheorie ausschließlich auf einer Tensorfeld-Beschreibung beruht. Eine Schlüsselvorhersage von Tensor-Skalar-Theorien ist dipolare Gravitationswellenstrahlung in kompakten Doppelsystemen mit großen Unterschieden in den Bindungsenergien der Komponenten (Eardley, 1975).
Und:
Zukünftige Verbesserungen der Tensor-Skalar-Tests werden auch durch die Entdeckung von Pulsaren erfolgen, die schwarze Löcher mit stellarer Masse eng umkreisen. Shao & Li (2018) haben kürzlich geschätzt, dass eine kleine, aber nachweisbare Pulsar/Schwarze-Loch-Population – zwischen 3 und 80 solcher Systeme – innerhalb der Galaktik liegt. Scheibe
Und über supermassive Schwarze Löcher:
Ein wichtiges wissenschaftliches Ziel für zukünftige radioastronomische Observatorien ist die Entdeckung und das Timing von Radiopulsaren im Orbit um das supermassereiche Schwarze Loch im Zentrum der Milchstraße (z. B. Bower et al., 2018). Jüngste Projektionen haben gezeigt, dass eine völlig neue Klasse von Tests mit Pulsar/Schwarzen-Loch-Umlaufbahnen von weniger als einem Jahr durchgeführt werden kann, selbst wenn nur ein Pulsar entdeckt wird und eine geringe Timing-Präzision ergibt (Liu et al., 2012). Diese Tests werden direkt die Masse- und Spineigenschaften des galaktischen Zentrums des Schwarzen Lochs sowie die Gültigkeit des berühmten „Nohair“-Theorems (z. B. Will, 2008) mit Messungen von Masse, Spin und dem Quadrupolterm seines Gravitationspotentials untersuchen.
Sie sehen, diese Quelle eignet sich hervorragend zum Testen von GR im Allgemeinen und zum Studium der Struktur von BHs (oder ob es welche gibt) im Besonderen.
Übrigens, solche gravitativen Zeitverzögerungen werden oft als Shapiro-Verzögerung bezeichnet.
Pulsare mit Schwarzen Löchern könnten den „Heiligen Gral“ der Schwerkraft halten
Das intermittierende Licht von Pulsaren, den genauesten Zeitmessern des Universums, ermöglicht es Wissenschaftlern, Einsteins Relativitätstheorie zu überprüfen, insbesondere wenn diese Objekte mit einem anderen Neutronenstern oder Weißen Zwerg gepaart werden, der ihre Schwerkraft stört. Diese Theorie könnte jedoch viel effektiver analysiert werden, wenn ein Pulsar mit einem Schwarzen Loch gefunden würde, außer in zwei besonderen Fällen, so Forscher aus Spanien und Indien.
Pulsare sind sehr dichte Neutronensterne von der Größe einer Stadt (ihr Radius nähert sich zehn Kilometern), die wie Leuchttürme für das Universum Gamma- oder Röntgenstrahlen aussenden, wenn sie sich bis zu Hunderte Male pro Sekunde drehen. Diese Eigenschaften machen sie ideal für die Prüfung der Gültigkeit der Allgemeinen Relativitätstheorie, die Einstein zwischen 1915 und 1916 veröffentlichte.
"Pulsare fungieren als sehr genaue Zeitmesser, sodass jede Abweichung ihres Pulses erkannt werden kann", erklärt Diego F. Torres, ICREA-Forscher vom Institute of Space Sciences (IEEC-CSIC), gegenüber SINC. "Wenn wir die tatsächlichen Messungen mit den Korrekturen am Modell vergleichen, die wir verwenden müssen, damit die Vorhersagen richtig sind, können wir Grenzen setzen oder die Abweichung von der Basistheorie direkt erkennen."
Diese Abweichungen können auftreten, wenn sich in der Nähe des Pulsars ein massereiches Objekt befindet, beispielsweise ein anderer Neutronenstern oder ein Weißer Zwerg. Ein Weißer Zwerg kann als der stellare Überrest definiert werden, der übrig bleibt, wenn Sterne wie unsere Sonne ihren gesamten Kernbrennstoff verbrauchen. Die Doppelsysteme, bestehend aus einem Pulsar und einem Neutronenstern (einschließlich Doppelpulsarsystemen) oder einem Weißen Zwerg, wurden sehr erfolgreich zur Überprüfung der Gravitationstheorie verwendet.
Letztes Jahr wurde auch die sehr seltene Präsenz eines Pulsars (mit dem Namen SGR J1745-2900) in der Nähe eines supermassiven Schwarzen Lochs (Sgr A*, bestehend aus Millionen von Sonnenmassen) entdeckt, aber es gibt eine Kombination, die immer noch noch zu entdecken: die eines Pulsars, der ein „normales“ Schwarzes Loch umkreist, also eines mit einer ähnlichen Masse wie Sterne.
Bisher hielten Wissenschaftler dieses seltsame Paar für einen echten "Heiligen Gral" zur Untersuchung der Schwerkraft, aber es gibt mindestens zwei Fälle, in denen andere Paarungen effektiver sein können. So steht es in der Studie, die Torres und der Physiker Manjari Bagchi vom International Center of Theoretical Sciences (Indien) und jetzt Postdoc am IEEC-CSIC in der Zeitschrift für Kosmologie und Astroteilchenphysik. Die Arbeit erhielt auch eine lobende Erwähnung im Essays of Gravitation-Preis 2014.
Der erste Fall tritt ein, wenn das sogenannte Prinzip der starken Äquivalenz verletzt wird. Dieses Prinzip der Relativitätstheorie besagt, dass die Gravitationsbewegung eines Körpers, den wir testen, nur von seiner Position in der Raumzeit abhängt und nicht von seiner Zusammensetzung, was bedeutet, dass das Ergebnis jedes Experiments in einem freien Falllabor ist unabhängig von der Geschwindigkeit des Labors und wo es sich in Raum und Zeit befindet.
Die andere Möglichkeit besteht darin, eine mögliche Variation der Gravitationskonstante zu berücksichtigen, die die Intensität der Anziehungskraft zwischen Körpern bestimmt. Sein Wert ist G = 6.67384(80) x 10-11 N m2/kg2. Obwohl es sich um eine Konstante handelt, ist sie eine derjenigen, die mit der geringsten Genauigkeit bekannt ist, mit einer Genauigkeit von nur einer von 10.000.
In diesen beiden speziellen Fällen wäre die Pulsar-Schwarze-Loch-Kombination nicht der perfekte „Heilige Gral“, aber die Wissenschaftler sind auf jeden Fall bestrebt, dieses Paar zu finden, da es verwendet werden könnte, um die meisten Abweichungen zu analysieren. Tatsächlich ist es eines der begehrten Ziele von Röntgen- und Gammastrahlen-Weltraumteleskopen (wie Chandra, NuStar oder Swift) sowie das von großen Radioteleskopen, die derzeit gebaut werden, wie dem riesigen "Quadratkilometer" Array' (SKA) in Australien und Südafrika.
Manjari Bagchi und Diego F. Torres. "Inwiefern ist ein Neutronenstern & #8722Schwarzes Loch binär der heilige Gral für die Prüfung der Schwerkraft?". Zeitschrift für Kosmologie und Astroteilchenphysik, 2014. Doi: 10.1088/1475-7516/2014/08/055.
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Pulsare mit Schwarzen Löchern könnten den „Heiligen Gral“ der Schwerkraft halten
Das intermittierende Licht von Pulsaren, den genauesten Zeitmessern des Universums, ermöglicht es Wissenschaftlern, Einsteins Relativitätstheorie zu überprüfen, insbesondere wenn diese Objekte mit einem anderen Neutronenstern oder Weißen Zwerg gepaart werden, der ihre Schwerkraft stört. Diese Theorie könnte jedoch viel effektiver analysiert werden, wenn ein Pulsar mit einem Schwarzen Loch gefunden würde, außer in zwei besonderen Fällen, so Forscher aus Spanien und Indien.
Pulsare sind sehr dichte Neutronensterne von der Größe einer Stadt (ihr Radius nähert sich zehn Kilometern), die wie Leuchttürme für das Universum Gamma- oder Röntgenstrahlen aussenden, wenn sie sich bis zu Hunderte Male pro Sekunde drehen. Diese Eigenschaften machen sie ideal für die Prüfung der Gültigkeit der Allgemeinen Relativitätstheorie, die Einstein zwischen 1915 und 1916 veröffentlichte.
"Pulsare fungieren als sehr genaue Zeitmesser, sodass jede Abweichung ihres Pulses erkannt werden kann", erklärt Diego F. Torres, ICREA-Forscher vom Institute of Space Sciences (IEEC-CSIC), gegenüber SINC. "Wenn wir die tatsächlichen Messungen mit den Korrekturen am Modell vergleichen, die wir verwenden müssen, damit die Vorhersagen richtig sind, können wir Grenzen setzen oder die Abweichung von der Basistheorie direkt erkennen."
Diese Abweichungen können auftreten, wenn sich in der Nähe des Pulsars ein massereiches Objekt befindet, beispielsweise ein anderer Neutronenstern oder ein Weißer Zwerg. Ein Weißer Zwerg kann als der stellare Überrest definiert werden, der übrig bleibt, wenn Sterne wie unsere Sonne ihren gesamten Kernbrennstoff verbrauchen. Die Doppelsysteme, bestehend aus einem Pulsar und einem Neutronenstern (einschließlich Doppelpulsarsystemen) oder einem Weißen Zwerg, wurden sehr erfolgreich zur Überprüfung der Gravitationstheorie verwendet.
Letztes Jahr wurde auch die sehr seltene Präsenz eines Pulsars (mit dem Namen SGR J1745-2900) in der Nähe eines supermassiven Schwarzen Lochs (Sgr A*, bestehend aus Millionen von Sonnenmassen) entdeckt, aber es gibt eine Kombination, die immer noch noch zu entdecken: die eines Pulsars, der ein „normales“ Schwarzes Loch umkreist, also eines mit einer ähnlichen Masse wie Sterne.
Bisher hielten Wissenschaftler dieses seltsame Paar für einen echten "Heiligen Gral" zur Untersuchung der Schwerkraft, aber es gibt mindestens zwei Fälle, in denen andere Paarungen effektiver sein können. So heißt es in der Studie, die Torres und der Physiker Manjari Bagchi vom International Center of Theoretical Sciences (Indien) und jetzt Postdoc am IEEC-CSIC im „Journal of Cosmology and Astroarticle Physics“ veröffentlicht haben. Die Arbeit erhielt auch eine lobende Erwähnung im Essays of Gravitation-Preis 2014.
Der erste Fall tritt ein, wenn das sogenannte Prinzip der starken Äquivalenz verletzt wird. Dieses Prinzip der Relativitätstheorie besagt, dass die Gravitationsbewegung eines Körpers, den wir testen, nur von seiner Position in der Raumzeit abhängt und nicht von seiner Zusammensetzung, was bedeutet, dass das Ergebnis jedes Experiments in einem freien Falllabor ist unabhängig von der Geschwindigkeit des Labors und wo es sich in Raum und Zeit befindet.
Die andere Möglichkeit besteht darin, eine mögliche Variation der Gravitationskonstante zu berücksichtigen, die die Intensität der Anziehungskraft zwischen Körpern bestimmt. Sein Wert ist G = 6.67384(80) x 10-11 N m2/kg2. Obwohl es sich um eine Konstante handelt, ist sie eine derjenigen, die mit der geringsten Genauigkeit bekannt ist, mit einer Genauigkeit von nur einer von 10.000.
In diesen beiden speziellen Fällen wäre die Pulsar-Schwarze-Loch-Kombination nicht der perfekte „Heilige Gral“, aber die Wissenschaftler sind auf jeden Fall bestrebt, dieses Paar zu finden, da es verwendet werden könnte, um die meisten Abweichungen zu analysieren. Tatsächlich ist es eines der begehrten Ziele von Röntgen- und Gammastrahlen-Weltraumteleskopen (wie Chandra, NuStar oder Swift) sowie das von großen Radioteleskopen, die derzeit gebaut werden, wie dem riesigen "Quadratkilometer" Array' (SKA) in Australien und Südafrika.
Astronomen haben möglicherweise das der Erde am nächsten gelegene Schwarze Loch gefunden
Schwarze Löcher können schwarz sein, aber sie sind nicht unbedingt unsichtbar. Sie sind in verschiedenen Größen erhältlich, von winzig bis supermassiv, mit einem gemeinsamen Hauptmerkmal: einer Grenze, die als Ereignishorizont bekannt ist und über die kein Licht entweichen kann. Schwarze Löcher in der Nähe eines Objekts wie eines Sterns können sich jedoch aufhellen, wenn sie sich ernähren, und aufflammen, wenn überhitzter Staub und Gas in Vergessenheit geraten. Diejenigen ohne einen solchen Begleiter sind viel schwieriger zu erkennen, so schwarz sie auch sind, aber sie können immer noch indirekt über ihre Gravitationswirkung auf andere nahe Objekte entdeckt werden.
In einem in der Zeitschrift veröffentlichten Artikel Astronomie und Astrophysik, Forscher sagen, dass sie eine solche Beobachtung gemacht haben und das möglicherweise der Erde am nächsten bekannte Schwarze Loch enthüllt haben. Ihre Untersuchung von HR 6819, einem ansonsten unscheinbaren Sternensystem, das im südlichen Sternbild Telescopium mit bloßem Auge schwach sichtbar ist, ergab, dass einer seiner beiden bekannten Sterne alle 40 Tage ein unsichtbares Objekt umkreiste. Bei näherer Betrachtung zeigt das Team, dass dieses unsichtbare Objekt ein Schwarzes Loch mit einer geschätzten Masse von 4,2 Mal der Masse unserer Sonne ist. Ein Stern mit vergleichbarer Masse in HR 6819 wäre wahrscheinlich hell genug, um leicht zu sehen, sagen die Forscher. Ein Schwarzes Loch ist daher die wahrscheinlichste Erklärung.
&bdquoWir dachten anfangs, [HR 6819] sei ein binäres [System]&rdquo, sagt Thomas Rivinius von der European Southern Observatory (ESO), der Hauptautor der Studie ist. &bdquoAber als wir genauer hinsahen, stellten wir fest, dass es sich nicht um eine Binärdatei handelte, sondern um drei [Objekte].
Für die Entdeckung nutzten die Astronomen ein 2,2-Meter-Teleskop am La-Silla-Observatorium der ESO in Chile. Diese Entdeckung war jedoch nicht neu: Die Beobachtungen, die die Entdeckung ermöglichten, wurden bereits 2004 über mehrere Monate hinweg durchgeführt. Im vergangenen Jahr jedoch die Ankündigung eines möglichen Schwarzen Lochs in einem ähnlichen System namens LB-1, das einige Diskussionen auslöste, veranlasste Rivinius und sein Team, ihre Archivdaten erneut zu überprüfen. &bdquoEs sah genauso aus&bdquo, sagt er. &bdquoIch dachte, Moment mal. Ich habe etwas in meiner Schublade mit ungenutzten Daten, das ziemlich ähnlich wie [LB-1] aussieht.&rdquo
Das Team glaubt, dass das Schwarze Loch im HR 6819-System das Ergebnis eines dortigen Sterns ist, der vor zig Millionen Jahren als Supernova explodierte, basierend auf dem angenommenen Alter des Systems und den zwei verbleibenden Sternen. Es wurde bisher nicht bemerkt, weil seine orbitale Trennung von seinen Begleitsternen ausreicht, um es derzeit daran zu hindern, sich von ihnen zu ernähren. Im Gegensatz dazu sind andere bekannte Schwarze Löcher in Doppelsternsystemen die Begleiter eines Sterns, von dem sie sich ernähren, und sind von leuchtenden Materialscheiben umgeben, die reichlich Röntgenstrahlen aussenden. Astronomen haben unter den Hunderten von Milliarden Sternen in unserer Galaxie nur wenige Dutzend dieser „Röntgen-Binärdateien&rdquo gefunden.
Wenn es tatsächlich ein Schwarzes Loch beherbergt, hat HR 6819 einige interessante Implikationen. Zunächst einmal wird erwartet, dass Supernovae allen nahen Sternen einen Gravitations-„kick&rdquo geben, der möglicherweise ihre Umlaufbahn stört und sie in den interstellaren Raum schleudert. &bdquoDie Tatsache, dass dieses Dreifachsystem immer noch existiert, sagt uns, dass es, wenn überhaupt, keinen starken Kick gegeben haben kann&rdquo, sagt Rivinius. &bdquoDamit [wäre] etwas Neues über Supernovae &ndash, dass sich Schwarze Löcher ohne Tritte bilden können&ldquo
Eine weitere Implikation ist, dass ruhende Schwarze Löcher wie dieses viel häufiger vorkommen könnten als gedacht, was darauf hindeutet, dass es noch viel mehr zu entdecken gibt. Es kann sogar sein, dass LB-1 ein weiteres Beispiel für diese bisher unbekannte Klasse von Schwarzen-Loch-Systemen ist. Da es jedoch weiter entfernt und schwächer ist, ist es viel schwieriger, wenn auch nicht unmöglich, es zu beobachten. &bdquoWir haben vorgeschlagen&ldquo, auch LB-1 zu untersuchen, sagt Rivinius.
HR 6819 würde auch einige verlockende Hinweise darauf geben, wie Doppelsterne von Schwarzen Löchern entstehen, die Gravitationswellen erzeugen. Es ist bekannt, dass solche Systeme, seien es zwei Schwarze Löcher oder ein Schwarzes Loch und ein Neutronenstern, diese Wellen in der Raumzeit erzeugen, wenn sie verschmelzen. Aber wie sie vor der Verschmelzung entstanden sind, wird in der Astrophysik noch immer intensiv diskutiert. &bdquoEs ist wirklich unbekannt&rdquo, sagt Laura Nuttal von der University of Portsmouth in England, die nicht an der Studie beteiligt war. &bdquoEs&rsquos noch kein klarer Hinweis [von] genau, was der Formationskanal ist.&rdquo
Kareem El-Badry von der University of California, Berkeley, der ebenfalls nicht an der Studie beteiligt war, hält seine Behauptung, das nächstgelegene jemals beobachtete Schwarze Loch zu entdecken, für &bdquodefinitiv plausibel&rdquo. Er merkt jedoch an, dass diese Schlussfolgerung auf einigen Annahmen beruht, insbesondere darauf, dass der innerste Stern des Systems, der das Schwarze Loch umkreist, etwa fünf Sonnenmassen haben würde. &bdquoIch glaube, das ist weniger sicher&ldquo, sagt er. Wenn dieser innere Stern nicht so massiv wäre, wie Rivinius und sein Team angenommen haben, wäre das unsichtbare Objekt auch weniger massiv und möglicherweise überhaupt kein Schwarzes Loch. &bdquoIch halte es für unklug, zu sagen, dass es sich wahrscheinlich um ein Schwarzes Loch handelt. Aber es gibt da eine gewisse Unsicherheit&rdquo El-Badry.
Auch sei derzeit nicht zu sagen, ob es sich bei dem vermeintlichen Schwarzen Loch um ein einzelnes Objekt von 4,2 Sonnenmassen oder um zwei eng umeinander kreisende Sterne von 2,1 Sonnenmassen handelt, sagt Edward van den Heuvel von der Universität Amsterdam, der nicht an der Studie. &bdquoEs wäre ein vierfaches [Sternsystem], aber es gibt viele vierfache Systeme unter den hellen Sternen am Himmel&rdquo, sagt er. &bdquoWenn das Ding irgendwann anfangen würde, Röntgenstrahlen auszusenden, wären wir sicher, dass es ein Schwarzes Loch ist. Aber wenn es das nie tut, bleiben wir beim Problem: Ist es ein Schwarzes Loch oder könnte es ein geschlossenes Doppelsternpaar sein?&rdquo
Rivinius sagt jedoch, dass im emittierten Licht von HR 6819 der Beweis für ein solches Vierfachsystem - effektiv zwei Binärdateien, die sich gegenseitig koorbitieren - bemerkenswert wären. Letztendlich werden weitere Studien des Systems erforderlich sein, das längere Blicke mit mehr Teleskopen erfordert, um einige dieser Fragen zu beantworten. &bdquoSobald unsere Observatorien wieder in Betrieb gehen, werden wir das versuchen&ldquo, sagt Rivinius und weist auf die weltweite Schließung von Teleskopen als Reaktion auf die anhaltende Coronavirus-Pandemie hin. Zumindest vorerst scheint unser Sonnensystem einen neuen dunklen Begleiter in seinem galaktischen Hinterhof zu haben.
Astronomen nutzen Gravitationswellen, um das Wachstum von Schwarzen Löchern zu verstehen
Gravitationswellen verzerren den Raum und verändern die regelmäßigen Signale von Pulsaren, die vom CSIRO Parkes Radio Telescope empfangen werden. Bildnachweis: Swinburne Astronomy Productions.
Mit Daten des CSIRO Parkes Radio Telescope nutzen Astronomen Gravitationswellen, um das Wachstum massereicher Schwarzer Löcher besser zu verstehen.
Supermassereiche Schwarze Löcher: Jede große Galaxie hat eines. Aber hier ist ein echtes Rätsel: Wie sind sie so groß geworden?
Ein Artikel in der heutigen Ausgabe von Science stellt die führenden Ideen über das Wachstum supermassereicher Schwarzer Löcher mit Beobachtungsdaten zusammen – einer Begrenzung der Stärke von Gravitationswellen, die mit dem Parkes-Radioteleskop von CSIRO in Ostaustralien ermittelt wurden.
„Dies ist das erste Mal, dass wir Informationen über Gravitationswellen nutzen können, um einen anderen Aspekt des Universums zu untersuchen – das Wachstum massereicher Schwarzer Löcher“, Co-Autor Dr. Ramesh Bhat vom Knotenpunkt Curtin University des International Center for Radio Astronomy Research (ICRAR) sagte.
„Schwarze Löcher sind fast unmöglich direkt zu beobachten, aber bewaffnet mit diesem leistungsstarken neuen Werkzeug stehen uns aufregende Zeiten in der Astronomie bevor. Ein Modell dafür, wie Schwarze Löcher wachsen, wurde bereits verworfen, und jetzt werden wir uns die anderen ansehen.“
Zwei supermassereiche Schwarze Löcher drehen sich nach der Verschmelzung ihrer Galaxien zusammen und senden Gravitationswellen aus. Bildnachweis: Swinburne Astronomy Productions.
Die Studie wurde gemeinsam von Dr. Ryan Shannon, einem Postdoc beim CSIRO, und Herrn Vikram Ravi, einem von der University of Melbourne und dem CSIRO gemeinsam betreuten Doktoranden, geleitet.
Einstein sagte Gravitationswellen voraus – Wellen in der Raumzeit, die von massiven Körpern erzeugt werden, die ihre Geschwindigkeit oder Richtung ändern, Körper wie Paare schwarzer Löcher, die sich gegenseitig umkreisen.
Wenn Galaxien verschmelzen, sind ihre zentralen Schwarzen Löcher dazu verdammt, sich zu treffen. Sie tanzen zuerst gemeinsam Walzer, dann gehen sie eine verzweifelte Umarmung ein und verschmelzen.
„Wenn sich die Schwarzen Löcher nähern, senden sie Gravitationswellen mit genau der Frequenz aus, die wir erkennen sollten“, sagte Dr. Bhat.
Diese Begegnungen werden im ganzen Universum immer wieder abgespielt und erzeugen einen Hintergrund von Gravitationswellen, wie der Lärm einer rastlosen Menge.
Astronomen haben mit dem Parkes-Radioteleskop und einem Satz von 20 kleinen, sich drehenden Sternen, den Pulsaren, nach Gravitationswellen gesucht.
Pulsare fungieren als äußerst präzise Uhren im Weltraum. Die Ankunftszeit ihrer Pulse auf der Erde wird mit höchster Präzision auf eine Zehntelsekunde genau gemessen.
Wenn die Wellen durch einen Raum-Zeit-Bereich rollen, schwellen oder verkleinern sie vorübergehend die Entfernungen zwischen Objekten in dieser Region, wodurch die Ankunftszeit der Pulse auf der Erde verändert wird.
Das Parkes Pulsar Timing Array (PPTA) und eine frühere Zusammenarbeit zwischen CSIRO und der Swinburne University liefern zusammen fast 20 Jahre Zeitmessdaten. Dies ist nicht lang genug, um Gravitationswellen sofort zu erkennen, aber das Team sagt, dass es jetzt im richtigen Stadion ist.
„Die PPTA-Ergebnisse zeigen uns, wie niedrig die Hintergrundrate von Gravitationswellen ist“, sagte Dr. Bhat.
„Die Stärke des Gravitationswellen-Hintergrunds hängt davon ab, wie oft sich supermassereiche Schwarze Löcher spiralförmig zusammenrollen und verschmelzen, wie massiv sie sind und wie weit sie entfernt sind. Wenn der Hintergrund also niedrig ist, schränkt das einen oder mehrere dieser Faktoren ein.“
Ausgestattet mit den PPTA-Daten testeten die Forscher vier Modelle des Wachstums von Schwarzen Löchern. Sie haben effektiv ausgeschlossen, dass Schwarze Löcher nur durch Fusionen an Masse gewinnen, aber die anderen drei Modelle sind immer noch möglich.
Dr. Bhat sagte auch, dass das von der Curtin University geleitete Murchison Widefield Array (MWA) Radioteleskop in Zukunft zur Unterstützung des PPTA-Projekts verwendet wird.
„Die große Sicht des MWA in den Himmel kann genutzt werden, um viele Pulsare gleichzeitig zu beobachten, wertvolle Daten zum PPTA-Projekt hinzuzufügen und interessante Informationen über Pulsare und ihre Eigenschaften zu sammeln“, sagte Dr. Bhat.
Veröffentlichung: R. M. Shannon, et al., “Gravitational-wave Limits from Pulsar Timing Constrain Supermassive Black Hole Evolution,” Science, 18. Oktober 2013: Vol. 2, No. 342 Nr. 6156 S. 334-337DOI: 10.1126/science.1238012
Ein Magnetar im Herzen unserer Milchstraße
Astronomen haben einen Magnetar im Zentrum unserer Milchstraße entdeckt. Dieser Pulsar hat ein extrem starkes Magnetfeld und ermöglicht es Forschern, die direkte Umgebung des Schwarzen Lochs im Herzen der Galaxie zu untersuchen. Ein internationales Wissenschaftlerteam unter Leitung des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie in Bonn hat erstmals die Stärke des Magnetfelds um diese zentrale Quelle gemessen und konnte zeigen, dass diese von Magnetfeldern gespeist wird. Diese steuern den Masseneinfluss in das Schwarze Loch und erklären auch die Röntgenemissionen dieser Schwerkraftfalle.
Die Entdeckung eines Pulsars, der den Kandidaten für ein supermassereiches Schwarzes Loch im Zentrum der Milchstraße (genannt Sagittarius A*, oder kurz Sgr A*) eng umkreist, war in den letzten 20 Jahren eines der Hauptziele der Pulsar-Astronomen. Pulsare, diese extrem präzisen kosmischen Uhren, könnten verwendet werden, um die Eigenschaften von Raum und Zeit um dieses Objekt herum zu messen und zu sehen, ob Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie den strengsten Tests standhält.
Kurz nach der Ankündigung einer flackernden Röntgenquelle in Richtung des galaktischen Zentrums durch das Swift-Teleskop der NASA und der anschließenden Entdeckung von Pulsationen mit einer Periode von 3,76 Sekunden durch das NuSTAR-Teleskop der NASA wurde ein Radio-Folgeprogramm am Radioobservatorium Effelsberg des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie (MPIfR).
„Sobald wir von der Entdeckung regelmäßiger Pulsationen mit dem NuSTAR-Teleskop hörten, richteten wir die 100-m-Spiegel von Effelsberg in Richtung des galaktischen Zentrums“, sagt Ralph Eatough von der Abteilung Grundlagenforschung am MPIfR, Erstautor der Studie. „Bei unserem ersten Versuch war der Pulsar nicht deutlich zu sehen, aber einige Pulsare sind hartnäckig und erfordern ein paar Beobachtungen, um entdeckt zu werden. Beim zweiten Mal war der Pulsar im Funkband sehr aktiv und war sehr hell. Ich konnte kaum glaube, wir hätten endlich einen Pulsar im galaktischen Zentrum entdeckt!" Da dieser Pulsar so besonders ist, hat das Forschungsteam viel Aufwand betrieben, um zu beweisen, dass es sich um ein reales Objekt im Weltraum handelt und nicht um von Menschen verursachte Funkstörungen auf der Erde.
Weitere Beobachtungen wurden parallel und anschließend mit anderen Radioteleskopen weltweit (Jodrell Bank, Very Large Array, Nançay) durchgeführt. „Wir waren zu aufgeregt, um zwischen den Beobachtungen zu schlafen! Wir berechneten am Samstagmorgen um 6 Uhr Flussdichten und konnten nicht glauben, dass dieser Magnetar gerade so hell eingeschaltet war.“ sagt Evan Keane vom Jodrell Bank Observatory. Andere Kollaborationen arbeiteten an verschiedenen Teleskopen (Australia Telescope/ATCA, Parkes und Green Bank Telescope). Ein Forschungspapier zu den ATCA-Ergebnissen von Shannon & Johnston erscheint in der dieswöchigen Ausgabe der britischen Zeitschrift MNRAS.
„Das Radioteleskop Effelsberg wurde so gebaut, dass es das galaktische Zentrum beobachten konnte. Und 40 Jahre später entdeckt es dort den ersten Radiopulsar“, erklärt Heino Falcke, Professor an der Radboud Universiteit Nijmegen. "Manchmal müssen wir geduldig sein. Es war mühsam, aber letztendlich ist es uns gelungen."
Der neu gefundene Pulsar mit der Bezeichnung PSR J1745-2900 gehört zu einer bestimmten Untergruppe von Pulsaren, den sogenannten Magnetaren. Magnetare sind Pulsare mit extrem hohen Magnetfeldern in der Größenordnung von 100 Millionen (10 8 ) Tesla, etwa 1000 Mal stärker als die Magnetfelder gewöhnlicher Neutronensterne oder 100.000 Milliarden Mal das Erdmagnetfeld. Es ist auch bekannt, dass die Emission dieser Objekte stark polarisiert ist. Aus Messungen der Drehung der Polarisationsebene durch ein externes Magnetfeld (sogenannter Faraday-Effekt) kann auf die Stärke des Magnetfeldes entlang der Sichtlinie zum Pulsar geschlossen werden.
Die magnetische Feldstärke in der Nähe des Schwarzen Lochs im Zentrum der Galaxie ist eine wichtige Eigenschaft. Das Schwarze Loch schluckt allmählich seine Umgebung (hauptsächlich heißes ionisiertes Gas) in einem Akkretionsprozess. Durch dieses einfallende Gas verursachte Magnetfelder können die Struktur und Dynamik der Akkretionsströmung beeinflussen und den Prozess unterstützen oder sogar behindern. Der neue Pulsar hat Messungen der Stärke des Magnetfelds zu Beginn des Akkretionsflusses zum zentralen Schwarzen Loch ermöglicht, was darauf hindeutet, dass es tatsächlich ein großräumiges und starkes Magnetfeld gibt.
„Um die Eigenschaften von Sgr A* zu verstehen, müssen wir die Einlagerung von Gas in das Schwarze Loch verstehen“, sagt Michael Kramer, Direktor am MPIfR und Leiter der Forschungsabteilung Grundlagenphysik. „Allerdings ist die Magnetisierung des Gases, die ein entscheidender Parameter für die Struktur des Akkretionsflusses ist, bisher unbekannt. Unsere Studie ändert das, indem wir mit dem entdeckten Pulsar die Stärke des Magnetfelds zu Beginn des dieser Anlagerungsstrom von Gas in das zentrale Objekt."
Mutmaßliches Schwarzes Loch als Ultraluminous Pulsar entlarvt
Eine ultraluminöse Röntgenquelle (ULX), die Astronomen für ein Schwarzes Loch hielten, ist wirklich der hellste Pulsar, der jemals aufgezeichnet wurde. ULXs sind Objekte, die mehr Röntgenstrahlen erzeugen als die meisten "normalen" Röntgen-Binärsysteme, in denen ein Stern einen Neutronenstern oder ein Schwarzes Loch mit stellarer Masse umkreist. Schwarze Löcher in diesen Röntgen-Doppelsystemen wiegen im Allgemeinen etwa das Fünf- bis Dreißigfache der Masse der Sonne.
Astronomen nutzten das NuSTAR (Nuclear Spectroscopic Telescope Array) der NASA und das Chandra X-ray Observatory, um zwei ULXs im Zentrum von M82 zu untersuchen, einer Galaxie, die knapp über 11 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt liegt. Dieses zusammengesetzte Bild zeigt Röntgenstrahlen von NuSTAR (lila) und Chandra (blau), die mit optischen Daten des 2,1-Meter-Teleskops NOAO (gold) kombiniert wurden. Die erweiterte Röntgenemission steht in keinem Zusammenhang mit den beiden ULXs.
Bisher dachten Astronomen, dass Materie, die auf Schwarze Löcher fällt, die helle Röntgenstrahlung in allen ULXs antreibt. Es wird angenommen, dass die meisten Schwarzen Löcher in ULXs mindestens das 10- bis 50-fache der Sonnenmasse wiegen, aber einige der hellsten ULXs sollen das 100-fache der Sonnenmasse oder mehr wiegen.
Die neuen Röntgendaten liefern einen entscheidenden Hinweis auf die Natur einer der ULXs in M82. Mit NuSTAR haben Wissenschaftler regelmäßige Variationen oder "Pulsationen" in dem als M82X-2 bekannten Objekt entdeckt. Dieses Objekt pulsiert im Durchschnitt alle 1,37 Sekunden einmal, und die Pulsationen ändern sich in einem regelmäßigen Muster mit einer Periode von 2,5 Tagen.
Solche Pulsationen werden bei Schwarzen Löchern nicht beobachtet. Sie sind vielmehr die Signaturen von sogenannten Pulsaren, schnell rotierenden Neutronensternen. Die scheinbaren Verschiebungen der Pulsationsperiode sind auf die Bewegung des Sterns auf seiner Umlaufbahn zurückzuführen. Unter der Annahme, dass der Pulsar das 1,4-fache der Sonnenmasse wiegt (die übliche Größe eines Pulsars oder Neutronensterns), implizieren die Daten, dass die Masse des Begleitsterns mindestens das 5,2-fache der Sonnenmasse beträgt.
MAXI J1820+070: Ausbruch eines Schwarzen Lochs auf Video festgehalten
Astronomen haben ein Schwarzes Loch gefangen, das heißes Material mit nahezu Lichtgeschwindigkeit in den Weltraum schleudert. Dieses Aufflammen wurde in einem neuen Film des Chandra-Röntgenobservatoriums der NASA festgehalten.
Das Schwarze Loch und sein Begleitstern bilden ein System namens MAXI J1820+070, das sich in unserer Galaxie etwa 10.000 Lichtjahre von der Erde entfernt befindet. Das Schwarze Loch in MAXI J1820+070 hat eine etwa achtfache Masse der Sonne, was es als sogenanntes Schwarzes Loch mit stellarer Masse identifiziert, das durch die Zerstörung eines massereichen Sterns entstanden ist. (Dies steht im Gegensatz zu supermassereichen Schwarzen Löchern, die das Millionen- oder Milliardenfache der Sonnenmasse enthalten.)
Der Begleitstern, der das Schwarze Loch umkreist, hat etwa die Hälfte der Masse der Sonne. Die starke Gravitation des Schwarzen Lochs zieht Material vom Begleitstern weg in eine Röntgenstrahlen emittierende Scheibe, die das Schwarze Loch umgibt.
Während ein Teil des heißen Gases in der Scheibe den "Ereignishorizont" (den Punkt ohne Wiederkehr) überquert und in das Schwarze Loch fällt, wird ein Teil stattdessen in zwei kurzen Materialstrahlen vom Schwarzen Loch weggeblasen. oder Jets. Diese Jets sind in entgegengesetzte Richtungen gerichtet und werden von außerhalb des Ereignishorizonts entlang magnetischer Feldlinien gestartet. Das neue Filmmaterial über das Verhalten dieses Schwarzen Lochs basiert auf vier Beobachtungen, die Chandra im November 2018 und Februar, Mai und Juni 2019 mit Chandra gemacht und in einem von Mathilde Espinasse von der Université de Paris geleiteten Papier berichtet hat.
Eine Tour durch einen Ausbruch eines Schwarzen Lochs, der auf Video festgehalten wurde. Bildnachweis: NASA/CXC/A. Hobart
Das Hauptfeld der Grafik ist ein großes optisches und infrarotes Bild der Milchstraße vom optischen PanSTARRS-Teleskop auf Hawaii, wobei die Position von MAXI J1820+070 über der Ebene der Galaxie durch ein Kreuz markiert ist. Der Einschub zeigt einen Film, der die vier Chandra-Beobachtungen durchläuft, wobei "Tag 0" der ersten Beobachtung am 13. November 2018, etwa vier Monate nach dem Start des Jets, entspricht. MAXI J1820+070 ist die helle Röntgenquelle in der Mitte des Bildes und man sieht Röntgenquellen, die sich in Jets nach Norden und Süden vom Schwarzen Loch entfernen. MAXI J1820+070 ist eine Punktquelle für Röntgenstrahlen, obwohl sie größer als eine Punktquelle zu sein scheint, da sie viel heller ist als die Strahlquellen. Der Südstrahl ist zu schwach, um in den Beobachtungen vom Mai und Juni 2019 entdeckt zu werden.
Wie schnell bewegen sich die Materialstrahlen vom Schwarzen Loch weg? Aus der Perspektive der Erde sieht es so aus, als würde sich der nördliche Jet mit 60% der Lichtgeschwindigkeit bewegen, während der südliche mit einer unmöglich klingenden 160% der Lichtgeschwindigkeit fliegt!
Dies ist ein Beispiel für superluminale Bewegung, ein Phänomen, das auftritt, wenn sich etwas mit Lichtgeschwindigkeit in einer Richtung nahe unserer Sichtlinie auf uns zu bewegt. This means the object travels almost as quickly towards us as the light it generates, giving the illusion that the jet's motion is more rapid than the speed of light. In the case of MAXI J1820+070, the southern jet is pointing towards us and the northern jet is pointing away from us, so the southern jet appears to be moving faster than the northern one. The actual velocity of the particles in both jets is greater than 80% of the speed of light.
Only two other examples of such high-speed expulsions have been seen in X-rays from stellar-mass black holes.
This illustration shows a black hole pulling material away from a closely orbiting companion star. Some of the hot gas in the disk will cross the "event horizon" (the point of no return) and fall into the black hole, some of it is instead blasted away from the black hole in a pair of short beams of material, or jets. These jets are pointed in opposite directions, launched from outside the event horizon along magnetic field lines. Credit: Chandra X-ray Center MAXI J1820+070 has also been observed at radio wavelengths by a team led by Joe Bright from the University of Oxford, who previously reported the detection of superluminal motion of compact sources based on radio data alone that extended from the launch of the jets on July 7, 2018 to the end of 2018.
Because the Chandra observations approximately doubled the length of time the jets were followed, a combined analysis of the radio data and the new Chandra data by Espinasse and her team gave more information about the jets. This included evidence that the jets are decelerating as they travel away from the black hole.
Most of the energy in the jets is not converted into radiation, but is instead released when particles in the jets interact with surrounding material. These interactions might be the cause of the jets' deceleration. When the jets collide with surrounding material in interstellar space, shock waves—akin to the sonic booms caused by supersonic aircraft—occur. This process generates particle energies that are higher than that of the Large Hadron Collider.
The researchers estimate that about 400 million billion pounds of material was blown away from the black hole in these two jets launched in July 2018. This amount of mass is comparable to what could be accumulated on the disk around the black hole in the space of a few hours, and is equivalent to about a thousand Halley's Comets or about 500 million times the mass of the Empire State Building.
Studies of MAXI J1820+070 and similar systems promise to teach us more about the jets produced by stellar-mass black holes and how they release their energy once their jets interact with their surroundings.
Radio observations conducted with the Karl G. Jansky Very Large Array and the MeerKAT array were also used to study MAXI J1820+070's jets.
A paper describing these results is published in the latest edition of The Astrophysikalische Zeitschriftenbriefe
The Astronomer Jocelyn Bell Burnell Looks Back on Her Cosmic Legacy
Jocelyn Bell Burnell arrived at the University of Cambridge in the mid-nineteen-sixties, just as construction was beginning on a new kind of radio telescope. For two years, as she worked on her doctorate in astronomy, she helped string wires between wooden poles, until four and a half acres of field were woven in copper filament and cable. “I came of a family that did a lot of sailing, so it wasn’t totally alien,” Bell Burnell told me recently. “I was used to posts and masts and pulleys.”
By July, 1967, the telescope was ready. It resembled a giant metal net. Within a few weeks, its antennae had caught something unusual. Bell Burnell—who analyzed the roughly seven hundred feet of paper generated each week as galactic radio waves were recorded in inked peaks—noticed a faint signal arriving from one slice of sky. Then it disappeared. In November, she saw it again. By adjusting the speed of the recording device, she determined that the signal came in every 1.34 seconds, a regular beat against the background static of the cosmos. Bell Burnell puzzled with her adviser, Antony Hewish, about whether it was of this world—an Earthly radio station, perhaps—or of another. They gave it the fanciful nickname of L.G.M.-1, for “little green men.”
Just before Christmas, on a morning so cold that Bell Burnell had to breathe on the recording equipment to warm it to working temperature, she found a second signal in another part of the sky. This one arrived every 1.25 seconds. Soon after the holidays, she spotted two more. Each of the four rhythmic waves originated in a different sector of the universe, effectively ruling out actual L.G.M. as the source. The first signal became, instead, CP 1919—“CP” for “Cambridge pulsar,” and “1919” for the star’s celestial location in hours and minutes. A new era of cosmology opened.
Pulsars are closely related to black holes. Both are born when a massive star runs out of fuel: its outer layers explode in a supernova, and its core collapses. The star’s original mass determines what happens next. If the core was more massive than about three of Earth’s suns, it turns into a black hole if not, the pressure and density of the collapse, which fuse electrons and protons into neutrons, produce a neutron star. Pulsars, a subset of these dead stars, spin at immense speeds and have powerful magnetic fields that accelerate nearby electrons, lashing them into beams of electromagnetic radiation. Because the stars rotate, those beams—which can be radio waves, gamma- or X rays, or visible light—appear, to a distant observer, to flash on and off. Pulsars are often called cosmic lighthouses.
The existence of both neutron stars and black holes was predicted in the nineteen-thirties, and the discovery of pulsars—identified as a type of neutron star soon after CP 1919 was reported—suggested that black holes must be out there, too. The first confirmed black hole was reported a few years later. Pulsars “meant that a lot of this kind of crazy theory that had been kicking around since Einstein dropped the general theory of relativity on us, that maybe it was real,” Stephen Eikenberry, a professor of astronomy at the University of Florida, told me. “Think of it this way: people were asking us to believe in fairies and elves. But then, when you meet an elf, fairies seem like not such a crazy idea.”
Because of their enormous density and precise, clock-like rotation, pulsars provided a new way to probe space and theory. “These fifty years have been amazingly exciting, with a lot of totally unexpected new discoveries in connection with pulsars rolling in,” Bell Burnell, currently a visiting professor in physics at the University of Oxford, said. Even the first pulsar’s disappearance, between August and November, 1967, supplied useful information. Interference from interstellar material, it turned out, made the radio waves seem to twinkle on and off. “At the time this was happening, we didn’t know that there was stuff between the stars, let alone that it was turbulent,” Bell Burnell said. “That is one of the things that has come out of the discovery of pulsars—more knowledge about the space between the stars.” Close observation of a pulsar and the space around it led to the first confirmed exoplanets—planets orbiting other suns, of interest in the search for extraterrestrial life. Pulsars also helped catalyze the hunt for gravitational waves, wrinkles in the substance of space-time. The most recent detection, this fall, recorded the disruption caused by merging neutron stars.
Observations under way around the world promise more insights courtesy of pulsars. “They turned out to be much more extreme objects than we had imagined could exist,” Bell Burnell said. “Because they are extreme, they tell us a lot about the extremes of physics, the extremes of nature.” Their extreme mass, for instance, offers scientists a way to better understand Einstein’s general theory of relativity. The stronger the gravitational force, the more clear the effects of relativity, Eikenberry said. He is one of many astronomers who hope for the discovery of a pulsar orbiting a black hole, since the tick of the pulsar’s clock could perhaps be seen slowing in thrall of a black hole’s mass. Pulsars could also reveal information about the feasibility of an interstellar navigation system their regular signals could serve as landmarks by which to triangulate a spacecraft’s position. Yet, for all they illuminate, pulsars themselves remain shadowy. The detailed physics of their emissions is still not well understood. “We are using those flashes of light to tell us all kinds of very cool things,” Eikenberry said. “But we don’t know how those flashes of light actually happen, how pulsars shine.”
Bell Burnell did not study pulsars after her doctoral work. She performed other astrophysical research, advocated for women in science, and led institutions including, recently, the Royal Society of Edinburgh. Marriage and motherhood led to a peripatetic, part-time academic life and, consequently, an eclectic curriculum vitae, she said. In 1974, Hewish, Bell Burnell’s former adviser, was awarded the Nobel Prize in Physics for a discovery that the committee described as “of paramount importance to physics and astrophysics.” Hewish had a co-recipient, but it wasn’t Bell Burnell—a fact that many observers have attributed to her gender. Bell Burnell has repeatedly noted that Nobels do not generally go to graduate students, and that the committee did not know that she was a woman. But many familiar with the story, and with pulsars’ far-ranging legacy, see injustice. “It is just such a clear example of the difference for women and anyone who is not on the top,” Matthew Stanley, a historian of science at New York University, said. “The whole subaltern community suffers in not getting credit for the work that they have done.”
Bell Burnell’s observations during those chilly winter days and nights, signals captured by wires looped across hoary fields, eventually found their way back to the universe that had sent them. In the seventies, NASA launched four space probes to explore the outer solar system. Each was outfitted with a map, which used fourteen pulsars to identify our sun’s relative position in the galaxy—the hope being that an alien might one day encounter the probes and find its way to Earth. “It was the first time we were actually thinking that something that could be made by humans could leave the solar system,” Keith Gendreau, of NASA’s Neutron Star Interior Composition Explorer mission, said. “This kind of crystallized the excitement of the time, of real exploration, of going out there.” Of the possibility of L.G.M. Though neutron stars rotate more slowly as they senesce, the maps ought to be decipherable to intelligent life well into the future. “It would be a little bit of a math problem, but totally solvable,” Gendreau said.
The steady beats of the first four pulsars have become part of a vast percussive array. More than two thousand others—superfast “millisecond” pulsars, slow pulsars, solitary pulsars, pulsars living in pairs—have now been found. As Bell Burnell wrote just a few years after her discovery, “these incredible stars continue to puzzle, and occasionally to surprise.”
Could a closely orbiting pulsar be used to study a black hole? - Astronomie
The recent discovery of a pulsar possibly less than half a light year from Sagittarius A*, the nearest supermassive black hole candidate at the centre of the Galaxy, has shown that a large scale magnetic field pervades the area around it. Because this field is gradually swallowed by the black hole, it can explain theories of how the black hole feeds and the radio through to X-ray emission associated with this enigmatic object. An international group of scientists predominantly from the MPIfR in Bonn, Germany used the institute's giant 100-m radio telescope near Effelsberg to investigate the pulsar at different radio frequencies. The results are published in this week's "Nature".
The discovery of a pulsar closely orbiting the candidate supermassive black hole at the centre of the Milky Way (called Sagittarius A*, or Sgr A* in short) has been one of the main aims of pulsar astronomers for the last 20 years. Pulsars, those extremely precise cosmic clocks, could be used to measure the properties of space and time around this object, and to see if Einstein’s theory of General Relativity could hold up to the strictest tests.
Shortly after the announcement of a flaring X-ray source in the direction of the Galactic centre by NASA’s Swift telescope, and the subsequent discovery of pulsations with a period of 3.76 seconds by NASA’s NuSTAR telescope, a radio follow-up program was started at the Effelsberg radio observatory of the Max Planck Institute for Radio Astronomy (MPIfR).
“As soon as we heard about the discovery of regular pulsations with the NuSTAR telescope we pointed the Effelsberg 100-m dish in the direction of the Galactic centre”, says Ralph Eatough from MPIfR’s Fundamental Physics Research department, the lead author of the study. “On our first attempt the pulsar was not clearly visible, but some pulsars are stubborn and require a few observations to be detected. The second time we looked, the pulsar had become very active in the radio band and was very bright. I could hardly believe that we had finally detected a pulsar in the Galactic centre!” Because this pulsar is so special, the research team spent a lot of effort to prove that it was a real object in deep space and not due to man-made radio interference created on Earth.
Additional observations were performed in parallel and subsequently with other radio telescopes around the world (Jodrell Bank, Very Large Array, Nançay). "We were too excited to sleep in between observations! We were calculating flux densities at 6am on Saturday morning and we could not believe that this magnetar had just turned on so bright." says Evan Keane from the Jodrell Bank Observatory. Other collaborations worked at different telescopes (Australia Telescope/ATCA, Parkes and Green Bank Telescope). A research paper on the ATCA results by Shannon & Johnston appears in this week’s issue of the British journal MNRAS.
“The Effelsberg radio telescope was built such that it could observe the Galactic centre. And 40 years later it detects the first radio pulsar there”, explains Heino Falcke, professor at Radboud Universiteit Nijmegen. “Sometimes we have to be patient. It was a laborious effort, but finally we succeeded.”
The newly found pulsar, labeled PSR J1745-2900, belongs to a specific subgroup of pulsars, the so-called magnetars. Magnetars are pulsars with extremely high magnetic fields of the order of 100 million (10^8) Tesla, about 1000 times stronger than the magnetic fields of ordinary neutron stars, or 100,000 billion times the Earth’s magnetic field. The emission from these objects is also known to be highly polarized. Measurements of the rotation of the plane of polarization caused by an external magnetic field (the so-called Faraday effect) can be used to infer the strength of the magnetic field along the line-of-sight to the pulsar.
The magnetic field strength in the vicinity of the black hole at the centre of the Galaxy is an important property. The black hole is gradually swallowing its surroundings (mainly hot ionized gas) in a process of accretion. Magnetic fields caused by this in-falling gas can influence the structure and dynamics of the accretion flow, helping or even hindering the process. The new pulsar has allowed measurements of the strength of the magnetic field at the beginning of the accretion flow to the central black hole, indicating there is indeed a large-scale and strong magnetic field.
“In order to understand the properties of Sgr A*, we need to comprehend the accretion of gas into the black hole”, says Michael Kramer, director at MPIfR and head of its Fundamental Physics research department. “However, up to now, the magnetization of the gas, which is a crucial parameter determining the structure of the accretion flow, remains unknown. Our study changes that by using the discovered pulsar to probe the strength of the magnetic field at the start of this accretion flow of gas into the central object.”
If this magnetic field caused by the ionized gas is accreted down to the event horizon it can also explain the radio through to X-ray emission long associated with the black hole itself. Also super strong magnetic fields at the black hole may suppress accretion, explaining why Sgr A* appears to be starving in comparison to supermassive black holes in other galaxies.
There is now convincing evidence that the centre of our Galaxy harbours a super-massive black hole. Scientists at the Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics in Garching and elsewhere have measured its mass very precisely but many properties are not yet understood. The discovery of the magnetar in its direct vicinity helps to explain some of the observations.
Magnetars are a rare breed in the pulsar population (only 4 out of
2000 pulsars known to date) suggesting there might indeed be a large population of pulsars in the Galactic centre. Why they have not been detected by previous pulsar surveys is not yet understood. It was thought that an extremely strong scattering of radio waves could be the reason but the discovery of PSR J1745-2900 seems to go against this idea. The scattering towards the Galactic centre could be more complex and patchy, or may increase closer to the black hole in the centre.
Unfortunately the newly found pulsar is still too distant from the black hole to accurately probe the space-time since its minimal orbital period amounts to
500 years. Also magnetars are notoriously noisy and thus inaccurate clocks. “Ideally we would like to find faster spinning pulsars even closer to Sgr A* allowing more accurate timing”, says Ralph Eatough. “The new pulsar has considerably raised our hopes of this possibility for the future.”
Original Paper:
A strong magnetic field around the supermassive black hole at the centre of the Galaxy. R.P. Eatough, H. Falcke, R. Karuppusamy, K. J. Lee, D. J. Champion, E. F. Keane, G. Desvignes, D. H. F. M. Schnitzeler, L. G. Spitler, M. Kramer, B. Klein, C. Bassa, G. C. Bower, A. Brunthaler, I. Cognard, A. T. Deller, P. B. Demorest, P. C. C. Freire, A. Kraus, A. G. Lyne, A. Noutsos, B. Stappers & N.Wex, Nature, August 14, 2013 (DOI: 10.1038/nature12499).
Kontakt:
Dr. Ralph Eatough,
Max-Planck-Institut für Radioastronomie, Bonn.
Fon: +49(0)228-525-481
E-mail: [email protected]
Prof. Dr. Michael Kramer,
Director and Head of Research Department "Fundamental Physics in Radio Astronomy",
Max-Planck-Institut für Radioastronomie, Bonn.
Fon: +49(0)228-525-278
E-mail: [email protected]
Prof. Dr. Heino Falcke,
Radboud Universiteit Nijmegen, Niederlande.
Fon: +31-24-3652020
E-mail: [email protected]
Dr. Norbert Junkes,
Press and Public Outreach,
Max-Planck-Institut für Radioastronomie, Bonn.
Fon: +49(0)228-525-399
E-mail: [email protected]
Weitere Informationen:
Merkmale dieser Pressemitteilung:
Journalisten, Lehrer/Schüler, Studierende, Wirtschaftsvertreter, Wissenschaftler
Physik / Astronomie
überregional
Forschungsergebnisse
Englisch
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Artist’s impression of PSR J1745-2900, a pulsar with a very high magnetic field (“magnetar”) in dire .
MPIfR/Ralph Eatough
Keiner
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The Effelsberg radio telescope during regular observations of the Galactic Centre region for unident .
MPIfR/Ralph Eatough
Keiner
