NASA-Raumteleskop Roman könnte endlich die fehlenden Neutronensterne der Milchstraße finden

Eine neue Studie, die in Astronomy and Astrophysics veröffentlicht wurde, deutet darauf hin, dass das bevorstehende Nancy Grace Roman Space Telescope der NASA möglicherweise endlich in der Lage sein wird, sie aufzudecken.

Die Forscher nutzten detaillierte Simulationen der Milchstraße sowie Projektionen zukünftiger Beobachtungen durch Roman, um abzuschätzen, wie viele isolierte Neutronensterne das Teleskop nachweisen könnte.

Ihre Ergebnisse deuten darauf hin, dass Roman möglicherweise Dutzende dieser versteckten stellaren Überreste mithilfe eines Phänomens namens Gravitationsmikrolensing identifizieren und untersuchen kann. „Die meisten Neutronensterne sind relativ schwach und befinden sich einzeln," sagte Zofia Kaczmarek ät Heidelberg in Deutschland, die die Studie leitete. „Sie sind ohne irgendeine Art erkennen." Wie die gravitative Mikrolinsenwirkung unsichtbare Objekte enthüllt Neutronensterne enthalten mehr Masse als die Sonne, komprimiert in einen Ball mit etwa der Größe einer Stadt.

Was die Studie zeigt

Wissenschaftler untersuchen sie, um besser zu verstehen, wie Sterne entstehen, explodieren und schwere Elemente im Universum verteilen. Sie bieten zudem einen einzigartigen Weg, Materie unter den denkbaren extremsten Bedingungen (Drucke und Dichten) zu erforschen.

Die meisten Neutronensterne sind schwer nachweisbar, da sie nur sehr wenig sichtbares Licht abstrahlen. Es sei denn, sie erscheinen als Pulsare, die Radiowellen aussenden, oder erzeugen starke Röntgenemissionen, können sie selbst für fortschrittliche Observatorien verborgen bleiben. Roman kann sie indirekt über die Schwerkraft nachweisen.

Wenn ein Neutronenstern vor einem entfernten Hintergrundstern vorbeizieht, krümmt seine Gravitation das Licht des Sterns und verändert dessen scheinbare Position am Himmel leicht. Dieser Effekt, bekannt als Mikrolinsenwirkung, führt dazu, dass der Hintergrundstern vorübergehend heller leuchtet und sich verschiebt.

Technik, Energie und Einsatz

Viele Teleskope können die vorübergehende Helligkeitssteigerung durch Mikrolinseneffekte beobachten, doch wird Roman erwartet, dass es sowohl die Helligkeitsänderung (Photometrie) als auch die winzige Positionsverschiebung (Astrometrie) mit außergewöhnlicher Genauigkeit misst.

Da Neutronensterne massereicher sind als viele andere Objekte, die Mikrolinseneffekte verursachen, erzeugen sie ein stärkeres astrometrisches Signal.

Dies könnte es Roman ermöglichen, nicht nur isolierte Neutronensterne nachzuweisen, sondern in einigen Fällen sogar ihre Massen direkt zu bestimmen – etwas, das allein durch Photometrie extrem schwierig ist. „Besonders faszinierend am Einsatz, dass man direkte Massendeterminierungen erhalten kann", sagte Peter McGill vom Lawrence Livermore National Laboratory, Mitautor der Studie. „Die Photometrie zeigt uns lediglich, dass sich etwas vor dem Stern vorbeibewegt; erst die Größe der Positionsverschiebung des Sterns verrät uns, wie massiv dieses Objekt ist." Indem wir diese winzige Ablenkung am Himmel messen, können wir etwas direkt wiegen, das ansonsten unsichtbar ist.

Auf der Suche nach fehlenden Neutronensternen

Auf der Suche nach fehlenden Neutronensternen Die könnten Astronomen dabei helfen, zentrale Fragen zu Neutronensternen und Schwarzen Löchern zu beantworten, darunter, ob zwischen ihren Massen tatsächlich eine Lücke besteht. Das Teleskop könnte zudem aufdecken, wie schnell sich Neutronensterne durch die Galaxie bewegen.

Wissenschaftler sind besonders an den gewaltsamen „Kicks" interessiert, die Neutronensterne während Supernova-Explosionen erhalten. Diese Impulse können sie mit Geschwindigkeiten durch die Milchstraße schleudern.

Um nach solchen Ereignissen zu suchen, planen Forscher, die zukünftige Galactic Bulge Time Domain Survey wird wiederholt riesige Sternfelder, die Millionen, mit hoher Beobachtungsfrequenz abbilden. „Wir werden so schnell wie möglich mit der Arbeit beginnen, sobald die Daten eintreffen", sagte McGill. „Selbst in den ersten Monaten nach der Inbetriebnahme erwarten wir, dass wir vielversprechende Ereignisse identifizieren können." Auch eine relativ geringe Anzahl bestätigter Entdeckungen könnte die Modelle für Sternexplosionen und das Verhalten erheblich verbessern. „Wir wissen nicht, wie die Massenverteilung, Schwarzen Löchern aussieht, oder wo genau der eine zum anderen übergeht – das ist mit Sicherheit noch nicht geklärt", sagte McGill. „Roman wird hier wirklich einen Durchbruch bedeuten." Roman-Teleskop könnte die Neutronenstern-Forschung revolutionieren Bisher wurden nur wenige tausend Neutronensterne identifiziert, die meisten davon als Pulsare entdeckt.

Was die Studie zeigt

Wissenschaftler schätzen jedoch, dass die Milchstraße zwischen zehn Millionen und mehreren hundert Millionen Neutronensterne enthalten könnte.

Forscher konnten bisher Neutronensternmassen nur in Doppelsternsystemen messen, in denen sich zwei Objekte gegenseitig umkreisen. „Wir beobachten eine kleine Stichprobe, die nicht repräsentativ für das große Ganze ist", sagte Kaczmarek. „Selbst eine einzige Massenangabe wäre bereits sehr wertvoll." „Wenn wir nur einen einzelnen isolierten Neutronenstern finden würden, wäre das bereits unglaublich anregend für unsere Forschung." Die Studie weist zudem auf eine unerwartete wissenschaftliche Chance für die Roman-Mission hin.

Obwohl die Mikrolinsen-Survey der Roman-Mission primär darauf ausgelegt ist, Exoplaneten durch photometrisches Mikrolensing zu entdecken, könnte ihre fortschrittliche astrometrische Präzision es ihr ermöglichen, völlig andere Klassen verborgener Objekte nachzuweisen. „Das war nicht Teil des ursprünglichen Plans", sagte McGill. „Es stellt sich jedoch heraus, dass die astrometrische Leistungsfähigkeit ist, Neutronensterne und Schwarze Löcher zu detektieren, sodass wir eine ganz neue Art der Roman-Mission hinzufügen können." Falls diese Vorhersagen zutreffen, könnte Roman die erste umfangreiche Sammlung isolierter Neutronensterne liefern, die ausschließlich durch ihre Gravitationseffekte entdeckt wurden.

Was die Studie zeigt

Die Wissenschaftler erwarten, dass die Mission die Erforschung des Mikrolinseneffekts erheblich ausweitet und bisher verborgene Populationen ße aufdeckt, darunter wandernde Planeten, Schwarze Löcher und Neutronensterne.

Das Nancy-Grace-Roman-Weltraumteleskop wird vom Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt, Maryland, geleitet, mit Beteiligung des Jet Propulsion Laboratory der NASA im Süden Kaliforniens, /IPAC in Pasadena, Kalifornien, vom Space Telescope Science Institute in Baltimore sowie, das Forscher aus verschiedenen Forschungseinrichtungen umfasst.

Die wichtigsten industriellen Partner sind BAE Systems Inc. in Boulder, Colorado, L3Harris Technologies in Rochester, New York, und Teledyne Scientific & Imaging in Thousand Oaks, Kalifornien.