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Die Entdeckung der Verlangsamung

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Künstlerische Darstellung eines Millisekundenpulsars in einem Doppelsternsystem. Die vom Begleitstern (außerhalb des oberen Bildrandes) überfließende Materie bildet eine Scheibe um den Pulsar, die am inneren Rand von dessen Magnetfeld abgeschnitten wird. © NASA/Goddard Space Flight Center/Dana Berry

Pulsare gehören zu den exotischsten, bekannten Himmelskörpern. Sie besitzen Durchmesser von etwa 20 Kilometern, beinhalten aber in etwa die Masse unserer Sonne. Ein würfelzuckergroßes Stück ihrer ultrakompakten Materie würde auf der Erde mehrere hundert Millionen Tonnen wiegen.

Eine Unterklasse von ihnen, die Millisekundenpulsare, wirbeln zudem bis zu einige hundert Mal pro Sekunde um die eigene Achse. Frühere Untersuchungen hatten bei einigen Millisekundenpulsaren zu der paradoxen Schlussfolgerung geführt, dass sie älter als das Universum sind. Der Astrophysiker Thomas Tauris vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie und dem Argelander-Institut für Astronomie in Bonn konnte dieses Paradoxon mit Computersimulationen lösen.

Pulsare sind schnell rotierende Neutronensterne. Sie sind Überreste von Sternen, die am Ende ihres Lebens ihren Brennstoff verbraucht haben und deren Zentralbereiche in sich zusammenbrechen. Die hierbei entstehenden Neutronensterne besitzen extrem starke Magnetfelder, die wie bei der Erde zwei Pole besitzen. Ähnlich wie ein sich drehender Leuchtturm sendet ein Pulsar entlang der Magnetfeldachse Strahlung aus. Überstreicht diese die Erde, so nehmen die Astronomen sie als Pulse wahr.

Durch das Abstrahlen verlieren die Pulsare Energie, was sich darin äußert, dass ihre Rotationsgeschwindigkeit abnimmt. Im Jahr 1982 entdeckten Astronomen aber einen Pulsar, der für sein hohes Alter viel zu sehr schnell rotierte. Seitdem wurden rund 200 weitere solche Millisekundenpulsare mit Rotationsperioden zwischen 1,4 und 20 Millisekunden (Tausendstel Sekunden) gefunden. Sie wirbeln also 50- bis 700-mal pro Sekunde um die eigene Achse.

Die Ursache ist in solchen Systemen stets ein Begleitstern. Der umkreist den Pulsar in relativ geringem Abstand, sodass er seine äußeren Gasschichten verliert. Diese Materie strömt zu dem Pulsar hinüber, sammelt sich zunächst in einer Scheibe um ihn herum an und fällt von dort auf ihn hinunter. Dabei prallt das heiße, elektrisch leitfähige Gas (ein Plasma) auf das mit dem Pulsar rotierende Magnetfeld und stößt es an, ähnlich wie Wasser, das auf die Räder einer Mühle strömt. Dabei überträgt es seinen Schwung, den es aus der Umlaufbahn mitbringt, auf den Pulsar und beschleunigt dessen Rotation bis in den Millisekundenbereich, ähnlich wie bei einem Kreisel, den man beständig anstößt.

Irgendwann hat der Begleitstern seine äußere Hülle verloren und der Materiestrom versiegt. Nun nimmt auch die Rotationsgeschwindigkeit des Pulsars langsam wieder ab. In der Vergangenheit hatten Astronomen jedoch Millisekundenpulsare gefunden, die so langsam rotierten, dass sie für das Abbremsen auf die niedrige Rotationsgeschwindigkeit mehr Zeit als das Weltalter von 13,7 Milliarden Jahren benötigt haben müssten. Ein Paradoxon, das Thomas Tauris nun gelöst haben könnte.

Er fragte sich, was während jener Endphase passiert, in der der Gasstrom des Begleitsterns auf den Pulsar versiegt. „Wir konnten jetzt zum ersten Mal detaillierte numerische Sternentwicklungsmodelle mit Berechnungen der Abbremsung kombinieren, die auf den rotierenden Pulsar wirkt“, sagt Tauris, dessen Ergebnisse in der aktuellen Ausgabe des Fachmagazins Science erschienen sind.

In seiner Rechnung nahm Tauris einen Pulsar an, den ein Stern umkreist. Fast eine Milliarde Jahre lang füttert der Begleiter den Pulsar und treibt dessen Umdrehung an. Dann versiegt der Gasstrom langsam. Nach weiteren 170 Millionen Jahren hat der Begleiter Dreiviertel seiner Masse an den Pulsar abgegeben und der Vorgang endet. In dieser Übergangsphase geschieht etwas Merkwürdiges: Das Magnetfeld des Pulsars weitet sich aus, sodass irgendwann seine Außenbereiche schneller umlaufen, als das von außen einfallende Gas. Die Folge: Das Gas wird von dem Magnetfeld ins All geschleudert, was zu einer Abbremsung der Pulsarrotation führt. In dem Bild der Mühle würde das Wasser auf die Vorderseiten der Schaufeln prallen und die Mühle bremsen. Astrophysiker sprechen von der Propellerphase, weil das einfallende Material ähnlich wie bei einem Propeller herausgeschleudert wird.

Tauris konnte mit seinen Rechnungen zeigen, dass Millisekundenpulsare ungefähr die Hälfte ihrer Rotationsenergie während der Propellerphase verlieren, was mit Beobachtungsergebnissen gut übereinstimmt.

Damit löst sich auch das Altersparadoxon: Bei den bisherigen Altersbestimmungen ging man von einer langsamen Abbremsung der Rotation aus, die einzig auf die Emission von Strahlung zurückgeführt wurde. Der nicht berücksichtigte Propellereffekt verlangsamt Millisekundenpulsare jedoch zusätzlich.

Nicht zuletzt hatten sich Astrophysiker auch gefragt, warum es keine Pulsare mit Perioden von weniger als einer Millisekunde gibt, die sich also mehr als tausend Mal pro Sekunde um die eigene Achse drehen. Theoretisch war dies nicht ausgeschlossen. Nach Tauris’ Simulationen verhindert der Propellereffekt derart hohe Rotationsgeschwindigkeiten.

Ansprechpartner

Dr. Thomas Tauris
Max-Planck-Institut für Radioastronomie, Bonn
Telefon: +49 228 73-3660
E-Mail: tauris@astro.uni-bonn.de

Dr. Norbert Junkes
Presse- und Öffentlichkeitsarbeit
Max-Planck-Institut für Radioastronomie, Bonn
Telefon: +49 228 525-399
E-Mail: njunkes@mpifr-bonn.mpg.de

Publikationsreferenz

Thomas M. Tauris
Spin-Down of Radio Millisecond Pulsars at Genesis
Science Bd. 335, S. 561. DOI 10.1126/science.1216355

Dr. Thomas Tauris | Quelle: Max-Planck-Institut
Weitere Informationen:
www.mpg.de/5010841/millisekundenpulsare

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