Pulsare

Doch es wurden bald immer mehr dieser punktförmigen Radioquellen entdeckt, und man stellte fest, daß sie nicht nur Pulse im Radiowellenbereich (vor allem Meterwellen) emittierten, sondern genauso im Bereich des sichtbaren Lichts, im Röntgen- und sogar im Gammabereich.

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

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). Als Schlußfolgerung hieraus bleibt einzig die schnelle Rotation eines Körpers, in diesem Fall also eines Neutronensterns.

Künstlerische Darstellung eines Millisekundenpulsars. 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. Und in dieser Größenordnung 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 gegen seine Rotationsachse geneigt. Hierdurch wird in der Umgebung des Körpers ein elektrisches Feld erzeugt, 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 so an, daß sie in einem schmalen Kegel (zu den Polkappen hin) sogenannte Synchrotronstrahlung emittieren. Dieser, einem Leuchtfeuer vergleichbare Kegel, rotiert mit der Rotationsgeschwindigkeit des Neutronensterns. Die ultraschnellen Teilchen erhalten einen Energieinhalt, der ihrem Energie- Masse- Äquivalent (mc²) millionenfach überlegen ist. Man geht auch neuerdings davon aus, daß die Teilchen nicht nur von der Sternoberfläche stammen, sondern daß es sich dabei ebenso um Elektronen oder Positronen handeln kann, die spontan als virtuelle Teilchenpaare aus dem Quantenvakuum entstehen können.

Immer dann, wenn der Strahlenblitz 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 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.

Jetzt lassen sich noch weitere Schlußfolgerungen ziehen:
Sehr schnell rotierende (kurze Periodendauer) Neutronensterne 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 (sogenannte 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 Neutonenstern akkretiert Materie von seinem Begleiter, und nimmt dabei den Drehimpuls dieser Materie auf (der Drehimpuls stammt dabei von der Akkretionsscheibe, nicht vom Begleitstern!).

Es gibt aber noch eine Ungereimtheit zu erklären: 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 freudlicher Genehmigung der STScI.

Man kann die Pulslängen 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 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 einen Tritt.
Durch die umfangreiche Untersuchung dieser Glitches konnten die Wissenschaftler viele theoretische Vorhersagen bezüglich des Aufbaus von Neutronensternen bestätigen.