Als 1967 erstmals Pulsare entdeckt wurden, waren ihre rhythmischen Radiowellenpulsationen ein Rätsel. Einige dachten, ihre Funkstrahlen müssten außerirdischen Ursprungs sein.
Seitdem haben wir viel gelernt. Wir wissen, dass Pulsare magnetisierte, rotierende Neutronensterne sind. Wir wissen, dass sie sich sehr schnell drehen, wobei ihre magnetischen Pole weitreichende Radiowellen in den Weltraum senden. Und wenn sie richtig ausgerichtet sind, können wir sie als Pulse von Radiowellen „sehen“, obwohl die Radiowellen stetig sind. Sie sind ein bisschen wie Leuchttürme.
Aber der genaue Mechanismus, der all diese elektromagnetische Strahlung erzeugt, ist ein Rätsel geblieben.
Ein Forscherteam hat vielleicht herausgefunden, wie das alles funktioniert. Es hat mit Gammastrahlen, Elektronen und Positronen und oszillierenden elektrischen Feldern zu tun.
Ein neuer Brief mit dem Titel „ Ursprung der Pulsar-Radioemission “ präsentiert diese neuen Ergebnisse. Der Hauptautor des Artikels ist Alexander Philippov, Associate Research Scientist am Center for Computational Astrophysics des Flatiron Institute. Die Arbeit ist veröffentlicht im Physik der American Physical Society Tagebuch.
Alles beginnt mit dem Neutronenstern im Zentrum des Pulsars.
Wenn ein massereicher Stern zwischen 10 und 29 Sonnenmassen kollabiert und als Supernova explodiert, hinterlässt er einen Neutronenstern. Ein Neutronenstern durchläuft keine weitere Fusion und wird von starker Gravitation dominiert. Die starke Schwerkraft überwältigt die Atombindungen im Stern und zerkleinert fast alles in Neutronen. Aber der Neutronenstern behält etwas Wichtiges von seinem Vorläuferstern: die Rotationskraft.
Jetzt hat der Neutronenstern viel weniger Volumen (und Masse) als sein Vorgänger, und wie ein Eiskunstläufer, der beim Drehen seine Arme einzieht, erhöht sich die Spinrate. Es heißt „ Drehimpulserhaltung “, ein Begriff, der in der Astronomie und Astrophysik immer wieder auftaucht.
Jetzt haben wir also einen Neutronenstern, der sich Hunderte Male pro Sekunde dreht. Diese schnelle Rotation erzeugt sehr starke elektrische Felder, die stärksten, die wir kennen, die Elektronen von der Oberfläche des Sterns reißen. Dieselben Felder beschleunigen diese Elektronen auf hohe Geschwindigkeiten.
Schematische Darstellung eines Pulsars. Die Kugel in der Mitte stellt den Neutronenstern dar, die Kurven die magnetischen Feldlinien, die hervorstehenden Kegel die Emissionsstrahlen und die grüne Linie die Achse, um die sich der Stern dreht. Da die Feldlinien fehlausgerichtet zur Rotationsachse sind, sehen wir einen Pulsar als schnell blinkende Quelle von Radioemission, wenn die Magnetpole zur Erde ausgerichtet sind. Bildnachweis: Von Benutzer:Mysid, Benutzer:Jm smits – Erstellt von Mysid in Inkscape, basierend auf en:Image:Pulsar schematisch.jpg von Roy Smits., CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/ w/index.php?curid=2612701
Die Elektronen werden so stark beschleunigt, dass sie emittieren Gammastrahlung . Aber der Pulsar hat auch ein extrem starkes Magnetfeld, und dieses Feld absorbiert die Gammastrahlen wieder. Diese Reabsorption erzeugt eine weitere Plasmaflut, die aus Elektronen und ihren Antimaterie-Gegenstücken, Positronen, besteht. Dieses Plasma füllt dann die Magnetosphäre.
„Photonen produzieren Paare, die mehr Photonen ausstrahlen, die mehr Paare produzieren, was zu dichten Plasmen führt.“
Alice K. HArding, Astrophysikerin, Goddard Space Flight Center der NASA.
In einem Pulsar sind die Magnetfelder so stark und die Gammastrahlung so energiereich, dass die Erzeugung von Elektronen und Positronen äußerst effizient ist. Physiker glauben, dass dadurch Kaskaden von Photonen und Elektron-Positron-Plasma entstehen können. „Photonen produzieren Paare, die mehr Photonen ausstrahlen, die mehr Paare produzieren, was zu dichten Plasmen führt“, schreibt Alice K. Harding in a Kommentar veröffentlicht in APS-Physik. Harding ist Astrophysiker am Goddard Space Flight Center der NASA.
„Diese Felder sind so stark und sie verdrehen und verbinden sich so heftig, dass sie im Wesentlichen Einsteins Gleichung von E = mc . anwenden2und aus Energie Materie und Antimaterie erzeugen“, sagte Professor Luis Silva vom Instituto Superior Técnico in Lissabon, Portugal, der nicht an dieser Studie beteiligt war.
Der blaue Punkt in diesem Bild markiert den Ort eines energetischen Pulsars – des magnetischen, sich drehenden Kerns eines Sterns, der bei einer Supernova-Explosion explodierte. NuSTAR der NASA entdeckte den Pulsar, indem er seinen verräterischen Puls identifizierte. Bildquelle: NASA/JPL-Caltech/SAO
Aber Elektronen und Positronen sind beide geladene Teilchen, und sie erzeugen ihre eigenen elektrischen Felder, die eine dämpfende Wirkung auf das elektrische Feld des Pulsars haben. Das elektrische Feld des Pulsars wird dann so geschwächt, dass es zwischen negativ und positiv zu schwingen beginnt.
Jetzt gibt es also einen Neutronenstern mit einem starken Magnetfeld und einem wackelnden, oszillierenden elektrischen Feld. Diese beiden Felder interagieren und das Ergebnis sind Wellen elektromagnetischer Energie, die als Radiowellen in den Weltraum ausgesendet werden. Das passiert nur, wenn das Magnetfeld und das elektrische Feld nicht ausgerichtet sind.
In dieser Studie simulierten die Forscher diese Faktoren, und die durch ihre Simulationen erzeugte Energie entspricht der von Pulsaren beobachteten Energie. In einer Pressemitteilung vergleicht Hauptautor Philippov den Prozess mit Blitzeinschlägen und beschreibt die Radiowellenemissionen als „Nachglühen“.
„Der Prozess ist blitzschnell“, sagte Studienleiter Alexander Philippov. „Aus dem Nichts entsteht eine starke Entladung, die eine Wolke aus Elektronen und Positronen erzeugt, und dann gibt es als Nachglühen elektromagnetische Wellen.“ Ein Team japanischer Wissenschaftler entdeckte, dass Blitze Gammastrahlen und Antimaterie im Jahr 2017 .
Blitze können wie Pulsare auch Gammastrahlen und Antimaterie erzeugen. Japanische Wissenschaftler haben diesen Prozess 2017 entdeckt. Bildquelle: Universität Kyoto/Teruaki Enoto
Diese Studie hat jedoch einen Vorbehalt. Obwohl die von den Simulationen des Teams emittierte Energie mit der von Pulsaren beobachteten Energie übereinstimmt, gibt es eine Diskrepanz. Die Teilchenenergien in den Simulationen sind viel niedriger als in einem echten Pulsar. Obwohl die Ergebnisse also vielversprechend sind, gibt es einige potenzielle Lücken.
In ihrem Kommentar zu der Arbeit sagt Harding, dass das Modell des Teams „sehr ein Spielzeugmodell bleibt, weil es die Teilchenenergien auf Werte begrenzt, die deutlich niedriger sind als die eines echten Pulsars“. Das ist keine Verurteilung, sondern nur eine Beobachtung der Grenzen des Modells und seiner Ergebnisse.
Harding sagt, dass es noch Fragen gibt, die beantwortet werden müssen. „Sind die paarinduzierten Wellen hell genug, um mit den Beobachtungen übereinzustimmen? Können sie der Magnetosphäre des Pulsars entkommen?“ Sie weist auch darauf hin, dass diese neue Arbeit andere Arten von Emissionen des bekannten Krebspulsars und einiger anderer Pulsare nicht erklärt.
Ein zusammengesetztes Bild des Krebsnebels und des Krebspulsars (roter Punkt in der Mitte) mit überlagerten Röntgenbildern (blau) und optischen (rot) Bildern. Diese neue Arbeit kann einige der Emissionen des Krebspulsars nicht erklären. Bildquelle: Von Optical: NASA/HST/ASU/J. Hesteret al. Röntgen: NASA/CXC/ASU/J. Hesteret al. – http://hubblesite.org/newscenter/newsdesk/archive/releases/2002/24/image/a, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=238064
Diese Arbeit ist jedoch immer noch ein Schritt nach vorne. Und die Autoren selbst wissen, dass ihre Arbeit näher an das reale Energieniveau eines Pulsars herangeführt werden muss, damit ihre Antwort robuster ist.
So wie es aussieht, kann ihre Arbeit in einigen Bereichen Fortschritte bringen. Harding stimmt dem Team zu, wenn es sagt: „Ein solch tieferes Verständnis könnte helfen, die mysteriöse Quelle periodischer Ausbrüche von Radiowellen, bekannt als ., aufzuklären schnelle Funkstöße , die von Neutronensternen ausgehen.“
Ein Beispiel für schnelle Funkausbrüche am Nachthimmel über CHIMES, dem kanadischen Experiment zur Kartierung der Wasserstoffintensität. Bildnachweis: James Josephides/Mike Dalley
Diese Ergebnisse könnten Auswirkungen auf Gravitationswelle auch Forscher. Diese Forscher nutzen winzige Schwankungen im Pulsar-Timing, um Gravitationswellen zu erkennen.
„Wenn man versteht, wie die Emission selbst erzeugt wird, besteht die Hoffnung, dass wir auch ein Modell der Fehler in der Pulsaruhr erstellen können, das zur Verbesserung verwendet werden kann.“ Pulsar-Timing-Arrays “, sagt Philippow.
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