Ein internationales Wissenschaftlerteam hat mit dem MeerKAT-Radioteleskop den pulsierenden Herzschlag des Universums beobachtet, wenn Neutronensterne geboren werden und wirbelnde Blitzstürme bilden, die Millionen von Jahren andauern.
Radiopulsare sind rotierende Neutronensterne, von denen wir Blitze von Radiowellen wie Lichtpulse von einem Leuchtturm beobachten können. Mit Massen von etwa der anderthalbfachen Masse der Sonne und Größen von nur etwa 25 km sind Neutronensterne die dichtesten bekannten Sterne. Sie rotieren extrem schnell, normalerweise einmal alle tausendstel Sekunden bis einmal alle zehn Sekunden, und verlangsamen sich nur allmählich, wenn sie älter werden.
Jetzt hat ein Team von Astronomen die größte Pulsar-Durchmusterung aller Zeiten veröffentlicht Monatliche Mitteilungen der Royal Astronomical Society.
Neutronensterne sind auch die stärksten Magnete im Universum, im Durchschnitt eine Million Mal stärker als der stärkste Magnet auf der Erde. Solche extremen Eigenschaften bieten die Möglichkeit, die Gesetze der Physik mit außergewöhnlich hoher Genauigkeit zu testen. Auch 60 Jahre nach ihrer Entdeckung bleiben grundlegende Fragen über die Natur dieser exotischen Objekte.
Kein Pulsar ist wie der andere, und um in diesen spannenden Bereichen der Physik voranzukommen, sind empfindliche Beobachtungen von so vielen Pulsaren wie möglich erforderlich. Das Projekt „Thousand Pulsar Array“ (TPA) ist eine internationale Zusammenarbeit, die darauf abzielt, diese Ziele zu verfolgen, indem sie die beispiellose Empfindlichkeit des MeerKAT-Radioteleskops nutzt. Dieses besteht aus 64 Antennen in der Karoo-Wüste in Südafrika und ist ein Sprungbrett in Richtung Square Kilometre Array, in dem Großbritannien führend ist.
Die Ergebnisse werden in zwei Teilen veröffentlicht, von denen einer von Forschern der University of Manchester geleitet wird, in dem die Ergebnisse der Studie mit über einer Million aufgezeichneter Einzelblitze detailliert beschrieben werden. Die Blitzfolge kann als Impulsfolge visualisiert werden.
Dr. Patrick Weltevrede von der University of Manchester sagte: „Das Beobachten eines Pulsars ist wie das Überprüfen des Pulses eines Pulsars und enthüllt die Besonderheiten seines ‚Herzschlags‘. Jeder einzelne Puls ist anders in Form und Stärke.“
Bei einigen Pulsaren erscheinen bei der Visualisierung geordnete Muster diagonaler Streifen. Dr. Xiaoxi Song, Ph.D. Student an der University of Manchester erklärt: „Die hervorragende Qualität der TPA-Daten und unsere ausgefeilte Analyse ermöglichten es uns, diese Muster zum ersten Mal für viele Pulsare aufzudecken. Diese Muster können durch die Gewitter erklärt werden, die um den Stern herumwirbeln. Die Ergebnisse weisen auf etwas Grundlegendes hin, wie Pulsare funktionieren.“
Nach der Geburt des Pulsars wirbeln die Gewitter schnell und chaotisch um den Stern herum. Nach einigen Millionen Jahren legen sich die Gewitter und die Muster werden langsamer und stetiger. Dies stellt sich als das Gegenteil dessen heraus, was Modelle vorhersagen. Irgendwann, nach ein paar Milliarden Jahren, wird der Blitz ganz aufhören und Pulsare werden nicht mehr nachweisbar sein.
Das MeerKAT-Team erhielt kürzlich den renommierten Group Award der Royal Astronomical Society, und das TPA-Projekt hat nun einen außergewöhnlichen Meilenstein erreicht: detaillierte Beobachtungen von mehr als 1.200 Pulsaren, die mehr als ein Drittel der bekannten Pulsare darstellen.
In begleitenden Arbeiten, geleitet von Forschern der University of Oxford, werden die statistischen Eigenschaften der Pulsformen vorgestellt. Dr. Bettina Posselt erklärt: „Wir stellen fest, dass die wichtigste Eigenschaft, die die Radioemission eines Pulsars bestimmt, seine sogenannte Spin-down-Leistung ist. Sie quantifiziert die Energie, die ein Neutronenstern jede Sekunde freisetzt, wenn sich seine Rotation verlangsamt dieser Spin-down-Leistung wird verwendet, um die beobachteten Radiowellen zu erzeugen.“
Modelle sagen voraus, dass sich das ionisierte Gas, das den Stern umgibt, kontinuierlich entlädt, was mit Gewittern vergleichbar ist und die Radioimpulse erzeugt. Die neuen Daten zeigen, dass die Spin-down-Leistung beeinflusst, wie hoch über der Neutronensternoberfläche die Radioemission stattfindet und wie viel Energie die geladenen Teilchen haben. Da es Hinweise darauf gibt, dass die Spin-down-Leistung mit dem Alter abnimmt, und die 1.200 Pulsare eine große Bandbreite an Spin-down-Leistung aufweisen, sind die TPA-Daten ideal, um die Alterung von Neutronensternen zu untersuchen.
Die neuen Daten zeigen, dass selbst Pulsare mit der geringsten Spin-down-Leistung intensive Radioemissionen aussenden und bis zu großen Entfernungen erfasst werden können. Dieses Ergebnis deutet darauf hin, dass möglicherweise eine größere Population von Pulsaren noch entdeckt werden muss als bisher erwartet.
Die TPA-Daten beider Projekte sind nun öffentlich zugänglich. Sie ermöglichen der internationalen Gemeinschaft, weitere Studien sowohl zu den Eigenschaften dieser Pulsare als auch zu denen des dazwischen liegenden interstellaren Raums durchzuführen.
Mehr Informationen:
Xiaoxi Song et al., The Thousand-Pulsar-Array program on MeerKAT—VIII. Die Subpulsmodulation von 1198 Pulsaren, Monatliche Mitteilungen der Royal Astronomical Society (2023). DOI: 10.1093/mnras/stad135. An arXiv: arxiv.org/abs/2301.04067
Bettina Posselt et al., The Thousand-Pulsar-Array program on MeerKAT-IX. Die zeitlich gemittelten Eigenschaften der beobachteten Pulsarpopulation, Monatliche Mitteilungen der Royal Astronomical Society (2023). DOI: 10.1093/mnras/stac3383. An arXiv: arxiv.org/abs/2211.11849