PULSARE
Neutronenstern mit zwei Gesichtern
Redaktion / Pressemitteilung des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie
astronews.com
25. Januar 2013

Die gleichzeitige Beobachtung eines schnell rotierenden Neutronensterns im Radio- und Röntgenbereich brachte nun ein überraschendes Ergebnis. Bestimmte Änderungen im Abstrahlverhalten im Radiobereich zeigten sich nämlich auch in den Röntgendaten, allerdings anders als zunächst erwartet. Der Fund könnte helfen, die Physik rund um diese faszinierenden Objekte besser zu verstehen.

Künstlerische Darstellung eines Pulsars mit intensiver, stark gebündelter Radiostrahlung aus Richtung der magnetischen Pole des Pulsars, in seiner "radiohellen" Phase. Bild: ESA / ATG medialab

Pulsare sind kompakte schnell rotierende Sterne von nur etwa 20 Kilometern Durchmesser mit einer Gesamtmasse, die ungefähr der Masse unserer Sonne entspricht. Sie haben ein starkes Magnetfeld, ungefähr eine Million mal stärker als alle Magnetfelder, die in irdischen Laboratorien künstlich erzeugt werden können. Ein Pulsar gibt seine Strahlung sehr stark gebündelt ab. Wenn der Strahlenkegel des Pulsars im Lauf seiner Rotation über die Erde streift, wird ein kurzer Strahlungspuls beobachtet, ähnlich wie bei einem Leuchtturm.

Einige Pulsare geben Strahlung über die gesamte Breite des elektromagnetischen Spektrums ab und können sowohl im Röntgen- als auch im Radiobereich beobachtet werden. Obwohl die ersten Pulsare bereits vor über 40 Jahren entdeckt wurden, ist der Mechanismus, mit dem sie ihre Strahlung abgeben, nach wie vor nicht genau bekannt.

Man weiß seit einiger Zeit, dass Pulsare im Radiobereich im Verhalten zwischen zwei oder sogar mehreren unterschiedlichen Zuständen sehr schnell hin- und herspringen können, wobei sich sowohl die Form als auch die Intensität ihrer Radiopulse ändert. Der Zeitpunkt des Umspringens ist dabei nicht vorhersehbar und kann sehr plötzlich, oft sogar innerhalb einer einzelnen Pulsperiode, auftreten.

Aus Daten von Satellitenteleskopen ist bekannt, dass eine Handvoll Radiopulsare auch bei Röntgenfrequenzen nachgewiesen werden können. Das Röntgensignal ist allerdings so schwach, dass bisher nichts über eine Variabilität im Röntgenbereich bekannt ist. Aber natürlich haben sich die Forscher gefragt, ob dieses "Umspringen" wohl auch im Röntgenbereich zu sehen ist.

Für ihre jetzt in der Fachzeitschrift Science veröffentlichte Studie haben die Wissenschaftler den Pulsar mit der Bezeichnung PSR B0943+10 untersucht - einer der ersten entdeckten Pulsare überhaupt. Die Signale dieses Pulsars ändern alle paar Stunden ihre Form und Helligkeit, und diese Änderungen ereignen sich innerhalb von nur einer Sekunde. Es ist als ob der Pulsar zwei ganz unterschiedliche Persönlichkeiten hätte.

Da PSR B0943+10 einer der wenigen Pulsare ist, bei denen auch Röntgenstrahlung entdeckt wurde, sollte die Untersuchung des Röntgenverhaltens während der Änderung in der Radiostrahlung Aufschluss geben können über die Natur des Strahlungsprozesses in diesen Pulsaren. Da der Pulsar nur schwache Röntgensignale aussendet, hat das Forschungsteam Beobachtungen mit dem empfindlichsten Röntgenteleskop überhaupt durchgeführt, nämlich mit dem von dem europäischen Weltraumteleskop XMM-Newton.

Die Beobachtungen erfolgten über insgesamt sechs Intervalle von jeweils sechs Stunden. Um die genauen Zeiten der Änderung im Radioverhalten des Pulsars zu identifizieren, wurden gleichzeitig Beobachtungen mit den zwei weltweit empfindlichsten Radioteleskopen für den Meter-Wellenlängenbereich durchgeführt, dem Giant Meterwave Radio Telescope (GMRT) in Indien und dem europäischen LOw Frequency ARay (LOFAR).

Durch diese simultanen Beobachtungen konnten die Wissenschaftler feststellen, dass auch die Röntgensignale ihr Verhalten synchron mit den Radiosignalen ändern. Allerdings geschieht das Ganze antizyklisch - wenn die Radiopulse stark sind, ist die Röntgenstrahlung schwach. Und bei schwächerer Intensität der Pulse im Radiobereich wird das Röntgensignal entsprechend stärker.

"Zu unserer großen Überraschung mussten wir feststellen, dass beim Rückgang der Radiohelligkeit der Signale auf die Hälfte ihre Röntgenhelligkeit auf das Doppelte anstieg“, erklärt Wim Hermsen vom niederländischen Institut für Weltraumforschung (SRON) und der Universität Amsterdam, der Leiter des Forschungsprojekts. Und nur dann tritt die Röntgenstrahlung auch in gepulster Form auf.

Lucien Kuiper vom SRON, der die Röntgendaten von XMM-Newton gründlich geprüft hat, zieht daraus den Schluss, dass ein nur zeitweise auftretender "Hotspot" nahe am magnetischen Pol entsprechend den Zustandsänderungen in der Emission des Pulsars an- und ausgeschaltet wird. Am meisten überrascht dabei, dass die Umwandlung des Erscheinungsbilds bei dem Pulsar innerhalb von Sekunden erfolgt, während er danach für einige Stunden stabil in dem neuen Zustand verharrt.

"Warum der Pulsar nun diese dramatischen und nicht vorherberechenbaren Änderungen vollführt, können wir durch die bekannten Theorien nicht erklären", so Aris Noutsos vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie, ein Mitglied der "Pulsar Working Group". "Es spricht aber stark für sehr schnell stattfindende Änderungen in der gesamten Magnetosphäre des Pulsars."

45 Jahre nach der Entdeckung der ersten Neutronensterne liefert das unerwartete Verhalten des Radiopulsars PSR B0943+10 nun weitere wichtige Hinweise zum Verständnis der grundlegenden physikalischen Prozesse unter derart extremen Bedingungen, wie sie in den Magnetosphären von Pulsaren auftreten.

Hermsen und seine Kollegen haben inzwischen zusätzliche Beobachtungszeit mit dem Röntgensatelliten XMM-Newton erhalten. Durch die Kombination von Röntgenbeobachtungen mit Radiobeobachtungen mit einer Reihe von Radioteleskopen wie Westerbork, GMRT, Effelsberg und Jodrell Bank wollen sie einen weiteren Pulsar, nämlich PSR B1822-09, der ganz ähnliche Eigenschaft aufweist, simultan in Radio- und Röntgenwellenlängen studieren.