Rätselhafte Pulsare: Kosmische Uhren ticken anders

Schnell rotierende Neutronensterne erzeugen intensive Radiowellen – auf unterschiedliche Weise. Das hat Konsequenzen für die Astrophysik.Pulsare sind die kompakteste Form der Materie im Universum: Die kaum 20 Kilometer großen Sternenüberreste haben die Masse mehrerer Sonnen. Ein Stück Pulsarmaterie von der Größe eines Würfelzuckers würde auf der Erde eine Milliarde Tonnen wiegen. Zu „pulsierenden Sternen“ werden diese rotierenden Objekte, weil sie entlang ihres Magnetfeldes elektromagnetische Strahlung mit hoher Energie aussenden. Ist die Magnetfeldachse, so wie bei der Erde, zur Rotationsachse hin geneigt, streift diese Strahlung in zwei gegenläufigen Strahlungskegeln ähnlich wie bei einem Leuchtturm umher.Magnetfeldlinien kreisen mit LichtgeschwindigkeitMillisekunden-Pulsare rotieren mehrere Hundert Mal pro Sekunde um ihre eigene Achse – „langsame“ Pulsare benötigen immerhin bis zu acht Sekunden für eine Umdrehung. Jede normale Form der Materie würde bei diesen Geschwindigkeiten zerrissen werden: Astronomen schließen daraus, dass alle Pulsare letztlich ausgebrannte Kerne ehemaliger Riesensterne sind, die auf die Dichte eines Atomkerns zusammengesunken sind, sogenannte Neutronensterne. Im Zentrum des Krebsnebels sitzt ein Pulsar. Dieser ist aus einer Supernova-Explosion hervorgegangen.dpaBei den hohen Rotationsgeschwindigkeiten von Millisekunden-Pulsaren werden deren Magnetfelder verwirbelt: Um mit der Rotation des Neutronensterns Schritt zu halten, kreisen die Magnetfeldlinien dabei nahezu mit Lichtgeschwindigkeit in einem sogenannten „Lichtzylinder“, einer Region oberhalb des Äquators des Pulsars. Das gilt insbesondere für extrem schnell rotierende Millisekunden-Pulsare wie J1939+2134, einen der schnellsten bekannten Pulsare. Bei ihm ist der Lichtzylinder der Magnetfeldlinien nur knapp vier Durchmesser des Neutronensterns weit von der Oberfläche entfernt.Prüfsteine für theoretische ModelleIn der Nähe dieser Zone, so sind Kramer und Johnston überzeugt, werden wie an den Magnetpolen geladene Teilchen beschleunigt. Die dabei abgestrahlte Energie erzeugt somit zusätzliche Pulse im Radiowellen-, aber auch im Gammastrahlungsbereich, die sich zum Ticken der Pulsare hinzumischen und dadurch die Neutronensterne scheinbar aus dem Takt bringen. „Seit etwa 30 Jahren gibt es die Hypothese einer Radioemission aus der Lichtzylinderregion von Millisekunden-Pulsaren“, sagt der amerikanische Astronom James Cordes von der Cornell University in Ithaca, der an der Arbeit nicht beteiligt war. „Dank der Kombination von Radio- und Gammastrahlen-Pulsarbeobachtungen, die Michael Kramer und Simon Johnston liefern, bekommen wir nun endlich wichtige Einblicke in diesen Prozess.“ Pulsare sind längst zu wichtigen Werkzeugen in der Astronomie und Kosmologie geworden. Ihre hochpräzise Pulsrate macht sie zu idealen „kosmischen Uhren“, mit denen Forscher zum Beispiel Einsteins allgemeine Relativitätstheorie auf Herz und Nieren testen können. „Zu verstehen, woher die Signale der rotierenden Neutronensterne kommen – und warum diese so aussehen, wie sie aussehen –, ist unerlässlich für die Astronomie“, sagt Kramer. In ihrer Studie liefern Kramer und Johnston wichtige Hinweise auf den Mechanismus – und zeigen zugleich, dass fast 60 Jahre nach der Entdeckung des ersten Pulsars Details ihrer Physik noch nicht völlig verstanden sind. Unklar ist zum Beispiel, ob der Lichtzylinder der Magnetfeldlinien bei der emittierten Strahlung aller Pulsare eine Rolle spielt oder nur bei manchen. In Kramers und Johnstons Stichprobe zeigen 39 Prozent der Millisekunden-Pulsare zusätzliche Pulse, aber nur drei Prozent der langsam rotierenden Pulsare. Sollte sich bestätigen, dass die Pulsar-Radiostrahlung tatsächlich nicht auf den schmalen Kegel in der Nähe ihrer Magnetpole beschränkt ist, könnten künftig vielleicht noch weit mehr Pulsare nachgewiesen werden, als es bisher der Fall ist.