Pulsar

Wie ein toter Stern zum kosmischen Leuchtturm wird

Schritt für Schritt

Ein Stern so groß wie eine Stadt

Wenn ein Stern von mehr als acht Sonnenmassen stirbt, stürzt sein Kern zu einem Neutronenstern zusammen: etwa das 1,4-Fache der Sonnenmasse in einer Kugel von rund 22 km Durchmesser.

Ein großer Stern leuchtet, indem er in seinem Kern leichte Atome zu schwereren verschmilzt. Sobald der Kern zu Eisen geworden ist, erlischt dieses Feuer, denn das Verschmelzen von Eisen liefert keine Energie. Ohne etwas, das ihn noch stützt, stürzt der Kern, etwa so groß wie die Erde, in weniger als einer Sekunde in sich zusammen.

Der Druck ist so gewaltig, dass Elektronen in Protonen gepresst werden und sie zu Neutronen machen. Der Sturz endet erst, wenn die Neutronen so dicht gepackt sind wie in einem Atomkern. Der Rest des Sterns wird in einer Supernova ins All geschleudert, und zurück bleibt der Neutronenstern.

Außer Schwarzen Löchern ist nichts Bekanntes dichter: Ein Würfelzucker aus Neutronensternmaterie wäre etwa so schwer wie alle Menschen der Erde zusammen. Seine Schwerkraft krümmt Licht. Der Ring aus verzerrten Sternen um ihn herum ist von seiner Anziehung abgelenktes Sternenlicht, und man sieht etwa vier Fünftel seiner Oberfläche auf einmal.

Ein rotierender Magnet

Der Kollaps hat ihn schnell rotieren lassen und sein Magnetfeld auf das Billionenfache des irdischen verdichtet. Seine Magnetpole sind gegen die Achse geneigt, um die er sich dreht.

Denken Sie an eine Eiskunstläuferin, die die Arme anzieht und sich schneller dreht. Der Kern des sterbenden Sterns drehte sich langsam, doch als er von der Größe der Erde auf die einer Stadt schrumpfte, drehte er sich Hunderttausende Male schneller. Neugeborene Neutronensterne können sich viele Male pro Sekunde drehen.

Das Zusammenpressen drängte auch das Magnetfeld des Sterns auf viel kleineren Raum und machte es dadurch ungeheuer stärker. Einige Neutronensterne, Magnetare genannt, sind noch tausendmal stärker: die stärksten bekannten Magnete.

Wie auf der Erde liegen die Magnetpole nicht dort, wo die Drehachse austritt. Die weiße gestrichelte Linie ist die Achse, um die sich der Stern dreht, die violette seine Magnetachse, die dagegen geneigt ist. Diese Neigung macht den Stern gleich zu einem Leuchtturm.

Zwei Strahlen

Über den Magnetpolen rasen von der Oberfläche gerissene Teilchen am Feld entlang nach außen und senden zwei schmale Strahlen aus Radiowellen aus. Radiowellen sind unsichtbar, deshalb sind sie hier grün gezeichnet.

Ein sich drehender Magnet erzeugt Strom: So funktionieren die Generatoren in Kraftwerken. Ein Neutronenstern ist ein gigantischer Generator. Seine Drehung treibt Spannungen von Billionen Volt an, stark genug, um Elektronen und andere geladene Teilchen aus seiner Oberfläche zu reißen.

Geladene Teilchen können sich nur entlang der Magnetfeldlinien bewegen, wie Perlen auf einem Draht. Über jedem Magnetpol führen die Linien hinaus ins All, und dort werden die Teilchen mit nahezu Lichtgeschwindigkeit nach außen geschleudert. Unterwegs senden sie Radiowellen in einem schmalen Kegel aus: dem Strahl. Wie genau sie das tun, ist ein Rätsel, an dem die Forschung noch arbeitet.

Die Energie der Strahlen stammt aus der Drehung des Sterns, deshalb wird jeder Pulsar über Millionen Jahre allmählich langsamer. Manche, wie der Krebs- und der Vela-Pulsar, blitzen auch im sichtbaren Licht, im Röntgen- und im Gammalicht.

Ein kosmischer Leuchtturm

Während sich der Stern dreht, streichen seine Strahlen wie die eines Leuchtturms über den Himmel. Jedes Mal, wenn einer die Erde trifft, fangen Radioteleskope einen Puls auf.

Die Strahlen sind an die Magnetpole gebunden, und die sind geneigt. Dreht sich der Stern, zieht daher jeder Strahl einen Kreis über den Himmel. Der Stern schaltet sich nicht ein und aus: Wie die Lampe eines Leuchtturms strahlt er die ganze Zeit, und wir sehen nur einen Blitz, solange ein Strahl zu uns zeigt.

Der goldene Pfeil zeigt die Richtung zur Erde. Die grüne Linie über dem Text ist das Radiosignal, wie ein Radioteleskop auf der Erde es aufzeichnet: flach, solange die Strahlen woandershin zeigen, und eine Spitze jedes Mal, wenn einer über uns hinwegstreicht.

Die Strahlen der meisten Pulsare treffen die Erde nie, daher können wir sie gar nicht sehen. Trotzdem wurden schon mehr als 4.000 Pulsare entdeckt, fast alle in unserer eigenen Galaxis.

Sein echtes Tempo

In Zeitlupe lässt sich jede Umdrehung verfolgen. Der Vela-Pulsar dreht sich in Wirklichkeit 11-mal pro Sekunde, der schnellste bekannte 716-mal. Wählen Sie einen Pulsar, um ihn zu sehen und zu hören.

Bis jetzt lief die Drehung verlangsamt, damit Sie ihr folgen konnten. Der Knopf oben schaltet zwischen Zeitlupe und Echtzeit um, und die Liste daneben enthält vier echte Pulsare, vom allerersten entdeckten, der sich alle 1,34 Sekunden einmal dreht, bis zum schnellsten bekannten.

Der schnellste, PSR J1748−2446ad, dreht sich 716-mal pro Sekunde: Sein Äquator rast mit etwa einem Fünftel der Lichtgeschwindigkeit herum. So schnelle Pulsare sind alte, die wieder angetrieben wurden. Ein Begleitstern schüttete Gas auf sie und schob sie immer schneller an, wie eine Hand, die ein Karussell anschubst.

Mit Ton hören Sie den Unterschied. Langsame Pulsare schlagen wie eine Trommel, schnelle summen, und bei Hunderten von Pulsen pro Sekunde verschmelzen die Schläge zu einem musikalischen Ton.

Der Lichtzylinder

Das Magnetfeld ist im Stern verankert und dreht sich mit ihm, wie die Speichen eines Rades. Je weiter außen auf einer Speiche, desto schneller bewegt sie sich, so wie sich der Rand eines Karussells schneller bewegt als seine Mitte.

Innerhalb davon führen die Feldlinien zum Stern zurück, und die Teilchen auf ihnen drehen sich mit ihm. Linien, die darüber hinausreichen würden, können sich nicht schließen: Sie öffnen sich, ziehen sich spiralförmig nach außen und tragen einen Teilchenwind mit fast Lichtgeschwindigkeit davon. Um den Krebs-Pulsar bringt dieser Wind den ganzen Krebsnebel zum Leuchten, der etwa 11 Lichtjahre groß ist.

Uhren am Himmel

Jocelyn Bell Burnell entdeckte 1967 den ersten Pulsar. Pulsare gehen so gleichmäßig, dass eine Karte von 14 von ihnen an Bord der Sonden Pioneer und Voyager zeigt, wo unsere Sonne steht.

1967 bemerkte Jocelyn Bell Burnell, eine Studentin in Cambridge, ein wenig „Gekritzel“ auf den Papieraufzeichnungen eines Radioteleskops, das sie selbst mitgebaut hatte: Pulse im Abstand von 1,34 Sekunden, regelmäßig wie ein Uhrwerk. Das Team nannte die Quelle halb im Scherz LGM-1, für „little green men“ (kleine grüne Männchen), bis weitere gefunden wurden und sich als rotierende Neutronensterne herausstellten.

Der Nobelpreis von 1974 für die Entdeckung ging an ihren Doktorvater Antony Hewish, nicht aber an sie. 2018 gewann sie einen Breakthrough Prize über 3 Millionen Dollar und spendete alles, um Studierende aus in der Physik unterrepräsentierten Gruppen zu fördern.

Die schnellsten Pulsare gehen fast so genau wie Atomuhren. Die Zeitmessung an einem Pulsar enthüllte 1992 die ersten Planeten, die je um einen anderen Stern gefunden wurden. Und indem sie 68 Pulsare 15 Jahre lang vermaßen, fanden Astronomen 2023 Hinweise auf Gravitationswellen, Kräuselungen des Raums selbst, die durch unsere Galaxis laufen.

Die Karte auf den Plaketten der Pioneer-Sonden und den Voyager-Platten zeigt Richtung, Entfernung und Takt von 14 Pulsaren, von der Sonne aus gesehen. Pulsare werden gleichmäßig langsamer, daher könnte jeder, der sie findet, nicht nur herausfinden, woher die Sonden kamen, sondern auch ungefähr, wann sie aufbrachen.