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Ein Pulsar zur Erforschung unseres Milchstraßenzentrums

15.08.2013
Der Entdeckung des ersten Radiopulsars im Zentrum unserer Milchstraße ermöglicht es, die direkte Umgebung des zentralen Schwarzen Lochs zu studieren.

Mithilfe von Radiomessungen wurde zum ersten Mal die magnetische Feldstärke um die Zentralquelle bestimmt und nachgewiesen, dass sie mit Magnetfeldern gefüttert wird. Das Magnetfeld ist sogar stark genug, dass es den Masseneinstrom regulieren und die beobachtete Strahlung des Schwarzen Lochs erklären kann.


Künstlerische Darstellung von PSR J1745-2900, einem Pulsar mit einem sehr starken Magnetfeld (“Magnetar”)in unmittelbarer Umgebung zur Zentralquelle unserer Milchstraße, einem superschweren Schwarzen Loch mit ungefähr viermillionenfacher Masse der Sonne. Die Ergebnisse von Radiomessungen des Pulsars lassen darauf schließen, dass ein sehr starkes Magnetfeld in der unmittelbaren Umgebung des zentralen Schwarzen Lochs existiert.
MPIfR/Ralph Eatough


Das 100-m-Radioteleskop Effelsberg bei Beobachtungen im Rahmen eines regelmäßigen Suchprogramms für neue Pulsare in Richtung des galaktischen Zentrums. Das galaktische Zentrum befindet sich in Richtung des Sternbilds Schütze (Sagittarius) und wird von Effelsberg aus nur sehr tief am Horizont in südlicher Richtung für etwas mehr als zwei Stunden pro Tag sichtbar.
MPIfR/Ralph Eatough

Ein internationales Team unter der Leitung von Wissenschaftlern des MPIfR in Bonn hat mit dem 100-m-Radioteleskop Effelsberg den Pulsar in einer Reihe von Radiofrequenzen vermessen. Die Ergebnisse werden in "Nature" veröffentlicht.

Pulsare sind kompakte rotierende Neutronensterne die wie kosmische Leuchttürme ultrapräzise Radioblitze abstrahlen. Damit sind sie im Prinzip ideal dafür geeignet, die Umgebung Schwarzer Löcher zu studieren. Deshalb stellte die Entdeckung eines Pulsars im Zentrum unserer Milchstraße eines der Hauptziele der Pulsarastronomie in den letzten 20 Jahren dar. Im Herzen unserer Galaxis befindet sich nämlich das uns nächste superschwere Schwarze Loch mit der viermillionenfachen Masse unserer Sonne, das als Sagittarius A* (Kurzform: Sgr A*) bezeichnet wird. Ein Pulsar im Galaktischen Zentrum, so die Hoffnung der Forscher, könnte z.B. benutzt werden, um die Krümmung der Raum-Zeit in unmittelbarer Umgebung des Schwarzen Lochs zu messen und zu überprüfen, ob Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie auch solch extremen Tests noch standhält. Trotz langem Suchen schien aber bisher unser Galaktisches Zentrum eine Pulsar-freie Zone zu sein - bis zum Frühjahr dieses Jahres.

Röntgensatelliten der NASA hatten den Strahlungsausbruch einer neuen Röntgenquelle in Richtung des galaktischen Zentrums mit der Aussendung von pulsierender Röntgenstrahlung entdeckt. Die Daten wiesen darauf hin, dass es sich um einen Magnetar, einen jungen Neutronenstern mit extrem starkem Magnetfeld, handeln musste. Sofort wurde am Radio-Observatorium Effelsberg des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie (MPIfR) ein Beobachtungsprogramm mit dem 100-m-Teleskop gestartet, um zu testen, ob es sich bei der neuen Quelle auch um einen Radiopulsar handelte.

“Sobald wir von der Entdeckung von regelmäßigen Pulsen im Röntgenbereich mit dem NuSTAR-Teleskop gehört hatten, haben wir das 100-m-Teleskop in Richtung des Galaktischen Zentrums ausgerichtet”, sagt Ralph Eatough von der Forschungsabteilung “Radioastronomische Fundamentalphysik” am MPIfR. „Bei den ersten Beobachtungen war der Pulsar noch nicht eindeutig sichtbar, aber manche Pulsare sind wirklich störrisch und brauchen einiges an Beobachtungen, bevor wir sie eindeutig im Kasten haben. Beim zweiten Versuch war der Pulsar recht aktiv und sehr leuchtkräftig in Radiofrequenzen. Ich konnte erst mal kaum glauben, dass wir wirklich einen Pulsar im Zentrum unserer Milchstraße entdeckt hatten.“ Aufgrund der besonderen Lage des Pulsars hat das Forschungsteam einigen Aufwand betrieben, um zu sichern, dass es sich dabei um eine reale Quelle im fernen Universum handelt und nicht etwa um von Menschen erzeugte Störstrahlung hier auf der Erde.

Zusätzliche Beobachtungen wurden mit einer Reihe von Radioteleskopen weltweit durchgeführt (Jodrell Bank/England, Very Large Array/U.S.A., Nançay/Frankreich). „Wir waren zu aufgeregt zum Schlafen zwischen den einzelnen Beobachtungen“, sagt Evan Keane vom Jodrell-Bank-Observatorium. „Wir haben samstags früh um 6 Uhr Radiohelligkeiten ausgerechnet und konnten fast nicht glauben, dass dieser Magnetar inzwischen so hell geworden war.“ Andere Forschungsteams haben das Australia Telescope, Parkes/Australien und Green Bank/U.S.A. eingesetzt. Eine Veröffentlichung von Shannon & Johnston über die Resultate mit dem Australia Telescope erscheint ebenfalls diese Woche im britischen Fachmagazin „Monthly Notices of the Royal Astronomical Society“.

“Das Radioteleskop Effelsberg ist so gebaut worden, dass man auch Zugang zum Galaktischen Zentrum damit hat. Und 40 Jahre später wird der erste Radiopulsar im Zentrum der Milchstraße mit Effelsberg entdeckt“, erklärt Heino Falcke, Professor an der Radboud-Universität Nimwegen. „Manchmal brauchen Astronomen eben Geduld. Es war ganz schön anstrengend, aber am Ende hatten wir den Erfolg.“

Der neu entdeckte Pulsar, mit der Bezeichnung PSR J1745-2900, gehört zu einer speziellen Gruppe von Pulsaren, den so genannten Magnetaren. Magnetare sind Pulsare mit extrem starken Magnetfeldern von der Größenordnung von 100 Millionen (108) Tesla, das ist ungefähr 1000mal stärker als das Magnetfeld von normalen Neutronensternen oder 100.000 Milliarden mal stärker als das Magnetfeld der Erde. Es ist bekannt, dass die Strahlung von diesen Objekten sehr stark polarisiert ist. Daraus ergibt sich die Möglichkeit, durch Messungen der Drehung der Polarisationsebene, verursacht durch ein von außen wirkendes Magnetfeld (der so genannte Faraday-Effekt) die Stärke des Magnetfelds in Richtung des Pulsars zu bestimmen.

Die Magnetfeldstärke in der direkten Umgebung des Schwarzen Lochs im Zentrum unserer Milchstraße ist eine wichtige Kenngröße. Das Schwarze Loch verschluckt letztendlich Material aus seiner direkten Umgebung, hauptsächlich heißes ionisiertes Gas, in einem Prozess, der als Akkretion bezeichnet wird. Dabei können die von dem einfallenden Gas erzeugten Magnetfelder Struktur und Dynamik des Akkretionsflusses beeinflussen; sie können dabei diesen Prozess unterstützen oder sogar blockieren. Der neu gefundene Pulsar hat Messungen der Stärke des Magnetfelds dort ermöglicht, wo der Akkretionsfluss zur Zentralquelle einsetzt – die ersten Resultate deuten auf ein starkes und großskalig geordnetes Magnetfeld.

“Um die Eigenschaften von Sgr A* verstehen zu können, müssen wir den Akkretionsprozess begreifen, mit dem das Gas in das zentrale Schwarze Loch transportiert wird“, sagt Michael Kramer, Direktor am MPIfR und Leiter der Forschungsabteilung „Radioastronomische Fundamentalphysik“. „Bis jetzt blieb ein Parameter unbekannt, nämlich die Magnetisierung des Gases. Die ist aber entscheidend für die Struktur des Akkretionsflusses. Mit unseren Untersuchungen können wir das jetzt angehen und den neuen Pulsar für die Bestimmung der Stärke des Magnetfeldes dort verwenden, wo der Akkretionsfluss von Gas in das zentrale Objekt seinen Anfang nimmt.“

Wenn die Akkretion des von ionisiertem Gas erzeugten Magnetfelds bis hin zum Ereignishorizont des Schwarzen Lochs erfolgt, kann damit auch die Strahlung von Radio- bis zu Röntgenwellenlängen erklärt werden, die lange mit der Zentralquelle selbst in Verbindung gebracht wurde. Außerdem können sehr starke Magnetfelder direkt am Schwarzen Loch den Akkretionsprozess unterdrücken und so erklären, warum Sgr A* im Zentrum unserer Milchstraße im Vergleich zu superschweren Schwarzen Löchern in den Zentren von anderen Galaxien zu „hungern“ scheint.

Es gibt inzwischen überzeugende Argumente dafür, dass im Zentrum unserer Milchstraße in der Tat ein superschweres Schwarzes Loch mit ca. viermillionenfacher Masse der Sonne zu existieren scheint. Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik in Garching und Kollegen von anderen Instituten haben es sehr präzise vermessen können, aber eine Reihe von Eigenschaften sind bis jetzt noch nicht verstanden. Die Entdeckung des Magnetars in unmittelbarer Umgebung der Zentralquelle könnte helfen, einige der Beobachtungen zu erklären.

Magnetare stellen eine extrem seltene Teilgruppe innerhalb der Pulsare dar (nur 4 von ca. 2000 bis jetzt bekannten Pulsaren sind Magnetare). Daraus ließe sich folgern, dass tatsächlich eine große Zahl weiterer Pulsare im Zentralbereich unserer Milchstraße existieren sollte. Warum diese bisher im Rahmen systematischer Pulsar-Suchprogramme noch nicht entdeckt werden konnten, ist bisher nicht verstanden. Es wird vermutet, dass eine extrem starke Streuung von Radiowellen der Grund dafür sein könnte, aber die Entdeckung von PSR J1745-2900 spricht gegen diese Idee. Die Streuung von Radiowellen in Richtung des galaktischen Zentrums könnte natürlich komplexer und ungleichmäßig sein, oder näher zur Zentralquelle hin stark zunehmen.

Leider steht auch der neu gefundene Pulsar mit einer Umlaufperiode von mindestens 500 Jahren immer noch in zu großer Entfernung von der Zentralquelle, um die Struktur der Raum-Zeit direkt am Zentrum detailliert erforschen zu können. Außerdem sind die Signale von Magnetaren sehr rauschbehaftet und damit eher ungenaue Uhren. „Im Idealfall möchten wir schneller rotierende Pulsare in geringerem Abstand vom Zentrum finden, um damit die Timing-Resultate noch genauer zu machen“, sagt Ralph Eatough. „Der neue Pulsar hat unsere Hoffnungen deutlich erhöht, dass uns das in Zukunft gelingt.“

Originalveröffentlichung:
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: reatough@mpifr-bonn.mpg.de
Prof. Dr. Michael Kramer,
Direktor und Leiter der Forschungsabteilung "Radioastronomische Fundamentalphysik“, Max-Planck-Institut für Radioastronomie, Bonn.
Fon: +49(0)228-525-278
E-mail: mkramer@mpifr-bonn.mpg.de
Prof. Dr. Heino Falcke,
Radboud Universiteit Nijmegen, Niederlande.
Fon: +31-24-3652020
E-mail: h.falcke@astro.ru.nl
Dr. Norbert Junkes,
Presse- und Öffentlichkeitsarbeit,
Max-Planck-Institut für Radioastronomie, Bonn.
Fon: +49(0)228-525-399
E-mail: njunkes@mpifr-bonn.mpg.de

Norbert Junkes | Max-Planck-Institut
Weitere Informationen:
http://www3.mpifr-bonn.mpg.de/public/pr/pr-magnetar-aug2013-dt.html

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