Techniklexikon

Pulsare

Astronomie und Astrophysik, rotierende Neutronensterne, von denen in regelmässiger Folge Strahlungspulse empfangen werden. Die Pulsperioden liegen zwischen 0,0015 und 4,5 Sekunden, wobei die Pulslänge selbst nur etwa 5 % der Pulsdauer ausmacht. Die Pulse werden vorwiegend im Radiobereich empfangen, einige Pulsare lassen sich aber auch im Röntgen- und Gamma- sowie im optischen Bereich nachweisen. Das berühmteste Beispiel ist der Pulsar im Krebs-Nebel mit einer Periode von 0,033 Sekunden. Er wurde auf Grund historischer Aufzeichnungen als Überrest der Supernova aus dem Jahre 1054 identifiziert und nahm damit eine Schlüsselpositon bei der Interpretation dieses Phänomens ein.

Es gilt heute als sicher, dass Pulsare schnell rotierende Neutronensterne sind, die als Folge einer Supernova entstehen. Wenn hierbei der Zentralbereich des massereichen Sterns zu einem Neutronenstern kollabiert, bleiben Drehimpuls und wahrscheinlich auch magnetischer Fluss erhalten. Daher rotieren die nur etwa 20 km Durchmesser aufweisenden Körper sehr schnell und besitzen hohe Magnetfeldstärken. Die kritische Rotationsfrequenz, oberhalb derer die Fliehkräfte den Stern zerreissen würden, liegt bei etwa 0,001 s.

Der Strahlungsmechanismus scheint heute zumindest in Grundzügen verstanden zu sein. Demnach kann man sich das Magnetfeld als Dipol vorstellen. In diesem inhomogenen Feld werden elektrisch geladene Teilchen in den Weltraum beschleunigt, wobei sie Synchrotronstrahlung aussenden. Die Emission erfolgt dabei in einem parallel zur Magnetfeldachse liegenden Kegel mit typischerweise 10-15 Grad Öffnungswinkel. Wenn Magnetfeldachse und Rotationsachse schräg zueinander stehen, rotiert der Strahlungskegel mit dem Stern und streift wie der Strahl eines Leuchtturms durchs All. Trifft er hierbei auf die Erde, registriert man daher Strahlungspulse mit der Rotationsfrequenz des Pulsars.

Der Pulsar verliert Rotationsenergie, weil er magnetische Dipolstrahlung aussendet und die Teilchen mitschleppt und beschleunigt. Dadurch verringert sich die Rotationsfrequenz. Sie lässt sich als Abnahme der Pulsfrequenz nachweisen und liegt typischerweise zwischen 10^-14 und 10^-16. Das heisst, ein Pulsar mit einer Rotationsperiode von 1 s verdoppelt seine Periode nach einigen 10⁶ bis 10⁸ Jahren. Aus der Periodenabnahme und der aktuellen Periodendauer lässt sich das Alter eines Pulsars abschätzen. Theoretiker gehen heute davon aus, dass ein typischer Pulsar mit einer Periode von 0,01 s und einer Magnetfeldstärke von 10⁹ T entsteht. Nach etwa 10⁶ Jahren ist er so langsam und das Magnetfeld so schwach geworden, dass er nicht mehr nachweisbar ist.

Bei einigen Pulsaren wurden auch kurzzeitige Periodensprünge registriert, bei denen sich die Periode plötzlich geringfügig verkürzte. Danach erfolgte die Periodenzunahme mit derselben Rate wie zuvor. Diese sog. Glitches werden als eine Art Sternbeben interpretiert, bei dem sich die innere Struktur und damit das Trägheitsmoment verändert.

Überraschenderweise gibt es einige Pulsare mit schwachen Magnetfeldern um 10⁵ T, die dementsprechend sehr alt sein sollten. Dem widerspricht jedoch die Tatsache, dass sie sehr kurze Perioden im Millisekundenbereich aufweisen. Man vermutet, dass diese Millisekundenpulsare tatsächlich alt sind. Sie befinden sich aber in einem Doppelsternsystem, dessen zweite Komponente so nahe am Pulsar ist, dass von ihm Materie zum Pulsar hinüberströmt. Wenn dieses Gas auf die Oberfläche hinunterstürzt, überträgt es Impuls und beschleunigt den Pulsar.

Besondere Bedeutung erhielt der Binärpulsar PSR1913+16. Er erwies sich als kosmisches Laboratorium für Effekte der Allgemeinen Relativitätstheorie.

Entdeckt wurden die Pulsare 1967 von dem britischen Radioastronom Anthony Hewish und seiner damaligen Mitarbeiterin Jocelyn Bell Burnell am Mullard Radio Astronomy Observatory der Universität Cambridge. Hewish erhielt hierfür 1974 den Nobelpreis für Physik.

Pulsare 1: Schema eines Pulsars, bei dem Rotationsachse und Magnetfeldachse um den Winkel a zueinander geneigt sind.

Pulsare 2: Der Krebs-Pulsar im Röntgenlicht, aufgenommen mit dem Röntgenteleskop ROSAT. Deutlich zu erkennen die An- und Aus-Phase des Pulsars.