Pulsar: Ein schlagendes Sternherz

Pulsare: Rotierende Neutronensterne

APulsarist ein schnell rotierender Neutronenstern, der durch den Gravitationskollaps eines massereichen Sterns am Ende seines Lebens entsteht. Sein extrem dichter Kern, der hauptsächlich aus entarteten Neutronen besteht, erzeugt ein intensives Magnetfeld und sendet periodische elektromagnetische Strahlung aus, die in Form von Pulsationen wahrgenommen wird. Diese Signale, oft im Funkbereich, erinnern an einen kosmischen Leuchtturm, der sich mit bemerkenswerter Präzision dreht.

Hinweis: :
Unter den extremen Druck- und Dichtebedingungen in einem Pulsar wird Neutronenmaterie zu einer extrem dichten entarteten Flüssigkeit. Starke Kernwechselwirkungen begünstigen bestimmte Energiezustände, die eine teilweise oder globale Ausrichtung der Neutronenspins induzieren und so eine makroskopische Magnetisierung erzeugen können.

Physikalische Struktur eines Pulsars

Ein Pulsar ist ein kompaktes Objekt mit einer typischen Masse zwischen 1,4 und 2 Sonnenmassen, jedoch reduziert auf einen Radius von etwa 10 bis 15 km. Seine durchschnittliche Dichte übersteigt \(10^{17} \, \mathrm{kg/m^3}\), vergleichbar mit der Kerndichte. Der Neutronendruck setzt die der Schwerkraft entgegenwirkende Kraft frei und stabilisiert so den Neutronenstern.

Das Magnetfeld kann \(10^8\) bis \(10^{11}\) Tesla erreichen, milliardenfach stärker als das der Erde. Dieses Magnetfeld ist relativ zur Rotationsachse geneigt, was die auf der Erde beobachtete gepulste Emission verursacht.

Emissionsmechanismus und Rotation

Das Standardmodell beschreibt den Pulsar als eine Quelle, die elektromagnetische Strahlen an den Magnetpolen aussendet. Die schnelle Rotation mit Perioden zwischen einigen Millisekunden und einigen Sekunden führt zu einer Periodizität beim Empfang von Signalen.

Die Erhaltung des Drehimpulses erklärt die schnelle Rotation: Während des Kollaps des ursprünglichen Sterns nimmt sein Radius drastisch ab und die Winkelgeschwindigkeit nimmt gemäß der Beziehung \(\omega = \frac{L}{I}\) zu, wobei \(L\) der erhaltene Drehimpuls und \(I\) das Trägheitsmoment des Neutronensterns ist.

Diese Rotation wird durch elektromagnetische Strahlung und Teilchenwind allmählich verlangsamt, was zu einem langsamen, aber messbaren Anstieg der Rotationsperiode führt.

Physikalische Parameter und Beobachtungen

Die Beobachtungen messen die Periode \(P\), ihre zeitliche Ableitung \(\dot{P}\) und ermöglichen es, den mit der elektromagnetischen Emission verbundenen Verlust an Rotationsenergie \(\dot{E}\) abzuleiten. Diese Parameter liefern Informationen über das charakteristische Alter des Pulsars und seines Oberflächenmagnetfelds, geschätzt nach der klassischen Formel: \( B \ approx 3,2 \times 10^{15} \sqrt{P \dot{P}} \quad \mathrm{Tesla} \)

wobei \(P\) in Sekunden angegeben ist und \(\dot{P}\) dimensionslos ist (Änderung pro Sekunde).

Vergleichstabelle der physikalischen Eigenschaften von Pulsaren

Quelle :NRAO – Das Pulsar-HandbuchUndKaspi et al., Astrophysical Journal, 2004.

Pulsare: Natürliche Laboratorien

Pulsare sind einzigartige natürliche Laboratorien zur Erforschung extremer Physik: dichte Materie, intensiver Magnetismus, allgemeine Relativitätstheorie. Ihr periodisches Signal mit einer Präzision, die mit der der besten Atomuhren vergleichbar ist, ermöglicht grundlegende Tests in der Physik, einschließlich der Erkennung von Gravitationswellen und der Messung von Materie unter Bedingungen, die in terrestrischen Labors unzugänglich sind.