Pulsare

Neutronensterne waren lange Zeit nur theoretische Objekte, bis im Jahre 1967 die britische Studentin Jocelyn Bell mit einem Radioteleskop eine Radioquelle entdeckte, welche Impulse mit einer außergewöhnlichen Regelmäßigkeit aussandte. Man glaubte damals schon, die ersten extraterrestrischen Intelligenzen gefunden zu haben, die dort munter im Kosmos umherfunkten.

Leider war aber das nicht die Quelle der bis dahin unbekannten Signale. Zudem wurden bald immer mehr dieser punktförmigen Radioquellen entdeckt und man stellte fest, dass sie nicht nur Pulse im Radiowellenbereich (hier vor allem Meterwellen) emittierten, sondern genauso im Bereich des sichtbaren Lichts, im Röntgen- und sogar im Gammabereich nachzuweisen waren. Es musste also eine natürliche Ursache für die Impulse geben, künstlichen Ursprungs konnten sie jedenfalls nicht sein.

Diese Pulse zeichnen sich durch einige Besonderheiten aus:

Bisher wurden Pulse mit Periodenlängen von etwa 0.0008 bis herauf zu max. 4.3 Sekunden gefunden.
Die Pulse wiederholen sich mit außerordentlicher Regelmäßigkeit
Die Dauer des Impulses beträgt rund 1/30 der Periodenlänge
Die Periodendauer wird im Laufe der Zeit größer

Anzumerken ist hier noch, dass die Stärke der Impulse starken Schwankungen unterworfen sein kann.

Wie kann man nun diese Pulse interpretieren? Schon allein aus der Kürze der Perioden lässt sich folgern, dass es sich hier nicht um Doppelsternsysteme (Bedeckungsveränderliche) handeln kann, da auch in sehr engen Systemen die Umlaufzeiten mindestens im Stundenbereich liegen. Auch die Rotation eines "normalen" Sterns liegt im Stundenbereich, ebenso wie die Pulsation (zeitlich begrenzte Ausdehnung mit anschließender Kontraktion der Sternhülle).

Nach dem Ausklammern all dieser Möglichkeiten dynamischer Prozesse bleibt als Schlussfolgerung noch die schnelle Rotation eines Körpers. Und damit lag man nun genau richtig, so schnell rotieren können nur Neutronensterne und es stellte sich bald heraus, dass diese Annahme zutraf.

Künstlerische Darstellung eines Millisekunden- Pulsars. Dieser befindet sich in einem binären System und ist umgeben von einer Akkretionsscheibe, deren Material er ständig von seinem Begleiter, einem Roten Riesen, absaugt. Durch die auftreffende Materie wird der Neutronenstern immer schneller, weil er den zusätzlichen Drehimpuls der Materie erhält. So wie in dieser Darstellung sieht wahrscheinlich das System SAX J1808.4-3658 aus, eine starke, gepulste Röntgenquelle im Sternbild Sagittarius (Schütze).

Mit freundlicher Genehmigung von W. Feimer (Allied Signal), GSFC, NASA

Was aber muss passieren, damit ein Stern (um den es sich ja hier zweifelsfrei handelt) so schnell rotiert? Im Kapitel über Neutronensterne wurde dies bereits angedeutet. Beim Gravitationskollaps eines Sterns zum Neutronenstern verringert sich dessen Radius um den Faktor 100 000 (10⁵). Der Drehimpuls eines Körpers berechnet sich aus dem Quadrat des Radius, multipliziert mit der Winkelgeschwindigkeit. Zur Erhaltung des Drehimpulses muss demzufolge die Winkelgeschwindigkeit um den Faktor 10¹⁰ zunehmen! Hierin liegt das Rätsel der schnellen Rotation begründet. Der ehemalige Stern, der für eine Umdrehung Tage oder Stunden brauchte, rotiert jetzt in Sekundenbruchteilen. In der selben Größenordnung wie die Rotationsgeschwindigkeit nimmt auch das Magnetfeld des Neutronensterns zu, welches dann im Bereich von Milliarden Tesla liegt.

Nun haben wir die notwendigen Voraussetzungen, um eine Erklärung für die Funkimpulse der Neutronensterne zu finden. Das gigantische Magnetfeld des Pulsars ist meist gegen seine Rotationsachse geneigt. Es erzeugt in der Umgebung des Körpers ein elektrisches Feld, welches mit Spannungen von Billiarden Volt (!) als ultrastarker Teilchenbeschleuniger fungiert.

Auf der Oberfläche des Neutronensterns sind noch Protonen und Elektronen vorhanden, und diese werden jetzt entlang der Feldlinien des Magnetfeldes beschleunigt, in Richtung der Polregionen. Die Beschleunigung ist so groß, dass die Teilchen annähernd Lichtgeschwindigkeit erreichen. Ihre kinetische Energie steigt dabei derartig an, dass sie in einem schmalen Kegel zu den Polkappen hin so genannte Synchrotronstrahlung emittieren. Dieser, einem Leuchtfeuer vergleichbare Kegel, rotiert mit der Rotationsgeschwindigkeit des Neutronensterns. Die ultraschnellen Teilchen erhalten einen Energieinhalt, der ihrem Energie- Masse- Äquivalent (E = mc²) millionenfach überlegen ist. Man geht auch neuerdings davon aus, dass die Teilchen nicht nur von der Sternoberfläche stammen, sondern es sich dabei ebenso um Elektronen oder Positronen handeln kann, die spontan als virtuelle Teilchenpaare aus dem Quantenvakuum in der Umgebung des Neutronensterns entstehen können.

Immer dann, wenn der erzeugte Strahl wie ein Blitz die Erde streift, registrieren wir einen Impuls dieser Synchrotronstrahlung. Ist die Achse des Pulsars so geneigt, dass der Strahlenkegel nicht in Richtung Erde zeigt, können wir diesen Stern auch nicht als Pulsar identifizieren.

Die vom Neutronenstern abgestrahlten, enormen Energiemengen müssen nun auch irgendeine Wirkung hinterlassen. Das ist auch der Fall, denn die Energie wird aus der Rotationsenergie des Pulsars bezogen, daher nimmt die Rotationsgeschwindigkeit ständig ab (siehe oben). Das heißt, die Periodenlänge der Pulse wird immer größer. Irgendwann muss dann logischerweise die Rotation zum Stillstand kommen. Ebenso wird sich in fernster Zukunft das Magnetfeld verlieren, denn es wird durch eine Art Dynamoeffekt im Innern des Neutronensterns aufgrund seiner Rotation generiert.

Jetzt lassen sich noch weitere Schlussfolgerungen ziehen:
Sehr schnell rotierende Neutronensterne, also mit kurzer Periodendauer, sind noch jung, pulsieren sie bereits im Sekundenbereich, so werden sie ihr Leuchtfeuer bald einstellen. Man kann berechnen, dass nach etwa 10 Millionen Jahren die Rotation eines Neutronensterns so langsam geworden ist, dass er nicht mehr als Pulsar in Erscheinung tritt.

Merkwürdig dabei ist, dass bis heute noch kein Pulsar entdeckt wurde, der eine kürzere Periodendauer als 8 Tausendstel Sekunden aufweist. Das aber sollte gerade bei jungen Pulsaren möglich sein, die feste Oberfläche des Sternkörpers würde es jedenfalls zulassen. Eine Erklärung liegt möglicherweise darin, dass Vibrationen des Neutronengases (so genannte r-Moden) durch Gravitationswellen verstärkt werden, wodurch ein zusätzlicher Bremseffekt entsteht. Hierdurch wird die anfängliche hohe Rotationsgeschwindigkeit unmittelbar nach dem Kollaps bereits wieder verlangsamt. Wissenschaftler hoffen heute, diese Gravitationswellen bald nachweisen zu können.

Nun gibt es aber Pulsare, welche ihre Periodendauer (im Millisekundenbereich) nicht oder nur kaum verändern, und man hat einige Anzeichen dafür ermittelt, dass es sich um alte Sterne handeln muss. Man vermutet hier die Entstehung des Neutronensterns in einem Doppelsternsystem, was recht häufig vorkommt. Der Neutronenstern akkretiert Materie von seinem Begleiter und nimmt dabei den Drehimpuls dieser Materie auf. Sie sammelt sich zunächst in einer den Neutronenstern umgebenden, rotierenden Akkretionsscheibe, um erst dann auf die Sternoberfläche nieder zu gehen. Somit stammt der zusätzliche Drehimpuls aus der Akkretionsscheibe.

Es gibt aber noch eine Ungereimtheit zu klären: Bei diesen Pulsaren sollte man, da sie Teil eines Sternsystems sind, auch eine Bahnbewegung finden. Das ist aber manchmal leider nicht der Fall. Hier bleibt nur die Vermutung, dass der andauernde Beschuss des Begleitsterns mit den mehr als hochenergetischen Teilchen ihn regelrecht verdampft hat.

Der Krabben- Nebel M1 im Sternbild Stier in 7000 Lichtjahren Entfernung. Einer der schönsten Anblicke am Himmel entstand durch eine Supernova im Jahre 1054. Heute hat der Nebel eine Ausdehnung von 10 Lichtjahren, in seinem Zentrum (in der Mitte des gekennzeichneten Bereichs) befindet sich ein Pulsar.

In der Ausschnittvergrößerung sieht man den Pulsar, das ist der linke der beiden mittleren Sterne. Er rotiert 30 mal in der Sekunde um sich selbst. Die Wellen in den umgebenden Materiewolken werden durch die intensive Radio- und Partikelstrahlung des Pulsars verursacht und breiten sich mit halber Lichtgeschwindigkeit aus.

Mit freundlicher Genehmigung der STScI.

Man kann die Pulslänge der emittierten Strahlung sehr genau bestimmen. Und wir wissen nun, dass sie eigentlich im Laufe der Zeit durch Abbremsung der Rotation größer werden wird. Manchmal werden die Pulse jedoch um einen kleinen Betrag beschleunigt, als wenn jemand dem Stern einen Tritt, einen zusätzlichen Impuls versetzt. Diese "Ausrutscher", Glitches genannt, haben aber eine natürliche Ursache: Der rotierende Stern wird durch Trägheitskräfte etwas abgeflacht (wie beispielsweise die Erde auch), wodurch an seinem Äquator ein Wulst entsteht. Wenn die Rotation sich nun verlangsamt, versucht sich diese Wulst zu verringern. Es bauen sich dabei Spannungen in der festen Kruste des Neutronensterns auf, und irgendwann werden die Kräfte so groß, dass die Kruste zerspringt. Dies verleiht dem Stern den zusätzlichen Drehimpuls.

Es gibt allerdings noch eine andere Ursache für die Glitches. Die feste Kruste des Neutronensterns gleitet auf dem flüssigen Kern. Die Verlangsamung der Rotation wirkt sich zuerst auf die Kruste auf, und es entstehen nun unterschiedliche Rotationsgeschwindigkeiten zwischen Kruste und Kern. Die Abbremsung wird durch Reibung nach innen weitergegeben, allerdings nicht gleichmäßig sondern ruckartig. Es baut sich so eine starke Reibungskraft auf, die plötzlich nach innen freigelassen wird, hierdurch erhält die Kruste quasi den Tritt.
Durch die umfangreiche Untersuchung dieser Glitches konnten die Wissenschaftler viele theoretische Vorhersagen bezüglich des Aufbaus von Neutronensternen bestätigen.

Im Sternbild Cepheus hat das Fermi Gamma- ray Space Telescope, ursprünglich mit Namen GLAST, den ersten Pulsar entdeckt, der ausschließlich im Gammabereich "funkt". Im genannten zirkumpolaren Sternbild findet sich der Überrest (remnant) einer Supernova, die vor 10 000 Jahren explodierte. Der als CTA 1 bezeichnete Gasnebel ist 4600 Lichtjahre von der Erde entfernt. Fermi hat mit dieser Entdeckung eine ganz neue Klasse von Pulsaren eröffnet. Bis heute sind etwa 1800 Pulsare gefunden worden, die meisten von ihnen strahlen im Radiobereich und weisen ein Alter von 1 Million Jahren auf. Die neue Klasse beinhaltet zwar nur 10 Objekte, deren Strahlungsemission jedoch im Hochenergiebereich angesiedelt ist - und es sind junge Neutronensterne. So ist dann auch die Strahlungsleistung des neuen Gamma- Pulsars gleich um den Faktor 1000 stärker als die Leuchtkraft der Sonne. Alle 316,86 Millisekunden wird die Erde von ihm mit einen Gammablitz bedacht, er rotiert also rund 3 mal in einer Sekunde um seine Achse. Die Gammastrahlen werden erzeugt, weil dort geladene Teilchen entlang der Magnetfeldlinien bis fast auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden. Weil die Strahlung durch die Rotation genährt wird, zerrt das an der Rotationsenergie. Hierdurch wird die Rotationsgeschwindigkeit dieses Pulsars alle 87 000 Jahre um 1 Sekunde verlangsamt.

Im Sternbild Cepheus finden wir übrigens einen interessanten Stern, δ Cep, der gleich einer ganzen Klasse von Sternen ihren Namen gibt: den Cepheiden. Bei diesen veränderlichen Sternen stehen Periode und Leuchtkraft in einer sehr festen Beziehung, weshalb sie als so genannte Standardkerze zur Entfernungsbestimmung dienen.

Mit freundlicher Genehmigung von NASA/S. Pineault, DRAO