PULSARTIMING
Was Pulsare über das Sonnensystem verraten
Redaktion / Pressemitteilung des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie
astronews.com
23. Oktober 2018

Die genaue Beobachtung von Pulsaren kann Astronomen auch einiges über unser Sonnensystem verraten: So lässt sich etwa aus der detaillierten Auswertung der Ankunftszeiten der Pulse der entfernten Objekte auf die Masse von Objekten im Sonnensystem schließen - und dies erstaunlich genau. Auch nach nicht bekannten Massen könnte sich so suchen lassen.

Durch die Auswertung der Pulse von schnell rotierenden Neutronensternen kann man auch Informationen über unser Sonnensystem ableiten. Bild: NASA / GSFC  [Großansicht]

Objekte in unserem Sonnensystem können mithilfe einer Methode gewogen werden, bei der Beobachtungsdaten von Pulsaren einer genauen Untersuchung unterzogen werden. Pulsare sind sehr schnell rotierende Sterne von geringem Durchmesser, die extrem regelmäßige "Pulse" im Radiobereich aussenden. Diese Technik, Pulsarankunftszeiten zur Massenbestimmung von Planeten zu nutzen, wurde erstmalig im Jahr 2010 von einem Forscherteam unter der Leitung von David Champion vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR) angewandt.

Sie beruht auf der extrem präzisen Zeitreihenbestimmung einer großen Anzahl von Millisekundenpulsaren. Die Astronomen zeichnen bei dieser Methode die gebündelte Radiostrahlung dieser Objekte auf, die als periodische Pulse ähnlich den Lichtsignalen von Leuchttürmen mit Radioteleskopen erfasst werden. Im Gegensatz zur Lichtquelle in Leuchttürmen rotieren diese Himmelsobjekte jedoch mit enormer Geschwindigkeit, mit Umlaufzeiten von bis zu nur wenigen Millisekunden. Sie bilden aufgrund ihrer gewaltigen Schwungmasse die ganggenauesten Uhren unter den Himmelskörpern im Universum. Beobachtungen mit den größten Radioteleskopen der Erde sind erforderlich, um die schwachen Signale von diesen Objekten zu erfassen.

"Mit ausgeklügelten Modellen für ihre Rotation können wir die Ankunftszeit der Pulse von Millisekundenpulsaren auf eine Genauigkeit von nur einigen hundert Nanosekunden über Jahrzehnte hinweg bestimmen. Das ermöglicht es uns, sie als hochgenaue Uhren für eine Vielzahl von unterschiedlichen Anwendungen zu nutzen", sagt der Nicolas Caballero der diese Untersuchung im Rahmen seiner Doktorarbeit am MPIfR vorgenommen hat und inzwischen seine Forschungen am Kavli Institut für Astronomie und Astrophysik an der Universität Peking fortsetzt.

Die Bahnbewegung der Erde um die Sonne erschwert allerdings die direkte Verwendung der aufgezeichneten Ankunftszeiten der Pulse am Radioteleskop. Die Astronomen umgehen dieses Problem, indem sie die Ankunftszeiten auf ein gemeinsames Bezugssystem umrechnen, das auf dem Massenzentrum des gesamten Sonnensystems, dem sogenannten Baryzentrum, basiert. "Wir sind dabei auf Ergebnisse angewiesen, die wir von unseren Kollegen aus der planetaren Astronomie erhalten. Diese berechnen aus einer Fülle von Daten, unter Einbeziehung der Vorbeiflüge von Raumfahrzeugen, Ephemeriden für unser Sonnensystem, welche die Umlaufbahnen von Planeten, Monden und Asteroiden beschreiben", sagt Caballero.

Wenn in diese Ephemeridenberechnung ein falscher Massenwert für die Masse eines Körpers einfließt, dann verschiebt sich die Position des Baryzentrums, was umgekehrt betrachtet periodische Verzögerungen oder Beschleunigungen in der erwarteten Ankunftszeit der Pulse von den Pulsaren erzeugt. Vergleicht man diese Erwartungen mit den tatsächlichen Pulsarmessungen, kann man die korrekten Massen der Körper bestimmen.

Unter Verwendung der aktuellsten Beobachtungsdaten vom International Pulsar Timing Array (IPTA) ist es den Pulsar-Astronomen gelungen, solche Massenabweichungen um eine Größenordnung genauer bestimmen zu können als bei der vorhergehenden Untersuchung aus dem Jahr 2010. Bezogen auf die Entfernung des Asteroidengürtels zwischen Mars und Jupiter ergeben die Beobachtungsdaten eine Empfindlichkeit von nur noch 0,0003% der Erdmasse.

Der Asteroid Ceres, der inzwischen als Zwergplanet eingestuft wird, ist das massereichste Objekt im Asteroidengürtel. Aus der Zeitreihenanalyse der Pulsardaten ergibt sich ein Wert von 1,3 Prozent der Masse des Erdmonds für Ceres. Diese Genauigkeit liegt eine Größenordnung unter den bisher besten Schätzungen. Die jetzt vorgestellte Studie enthält zudem noch Massenbestimmungen für vier weitere Asteroiden.

"Wir sind jetzt in der Lage, die Massen von Ceres und weiteren massereichen Asteroiden abzuleiten", so Champion. "Das zeigt die Verbesserungen unserer Beobachtungen bezogen auf die zwei hier relevanten Aspekte der Präzision und der Empfindlichkeit." Und Michael Kramer, Leiter der Forschungsabteilung "Radioastronomische Fundamentalphysik" am MPIfR und ebenfalls Ko-Autor der Veröffentlichung ergänzt: "Unser derzeitiger Datensatz erstreckt sich über zwei Jahrzehnte und ist das Resultat einer hochgenauen und kontinuierlichen Arbeit über viele Jahre. Hinter dem kontinuierlichen Erfolg der Zeitreihenanalyse von Pulsarsignalen steht die Arbeit von Hunderten von Wissenschaftlern und Ingenieuren aus der ganzen Welt."

Die neue Untersuchung geht über die Massenbestimmung bereits bekannter Planeten und Asteroiden hinaus. Durch die Anwendung einer bereits zuvor vorgestellten Methode hat das internationale IPTA-Konsortium nach zusätzlichen Massen im Sonnensystem gesucht, die bisher nicht in die Ephemeriden eingegangen sind. Damit konnten obere Grenzwerte für die Massen solcher Objekte in Umlaufbahnen um die Sonne angegeben werden. "Es ist bis jetzt eine Vorstudie, bei der wir nur unbekannte Himmelskörper in ungestörten exzentrischen Umlaufbahnen berücksichtig haben. Sie zeigt aber bereits die aufregenden Möglichkeiten, die die Zeitreihenanalyse von Pulsarsignalen für die Untersuchung des Sonnensystems eröffnet - angefangen beim theoretisch vorhergesagten neunten Planeten bis hin zu Dunkler Materie in der Nachbarschaft der Sonne", so die Wissenschaftler.

Die Ergebnisse werden in einem Fachartikel in der Zeitschrift Monthly Notices of the Royal Astronomical Society beschrieben.