Astronomen haben den Himmel seit jeher erforscht. Doch nur mit einem bedeutenden Sprung in der Technologieentwicklung konnten Wissenschaftler Objekte entdecken, die sich frühere Generationen von Astronomen nicht einmal vorgestellt hatten. Einer davon waren Quasare und Pulsare.
Trotz der enormen Entfernungen zu diesen Objekten konnten Wissenschaftler einige ihrer Eigenschaften untersuchen. Trotzdem verbergen sie immer noch viele ungelöste Geheimnisse.
Was sind Pulsare und Quasare?
Wie sich herausstellte, ist ein Pulsar ein Neutronenstern. Seine Entdecker waren E. Hewish und sein Doktorand D. Bell. Sie konnten Pulse nachweisen, das sind eng gerichtete Strahlungsströme, die in bestimmten Zeitabständen sichtbar werden, da dieser Effekt durch die Rotation von Neutronensternen entsteht.
Während seiner Kompression kommt es zu einer erheblichen Verdichtung des Magnetfelds des Sterns und seiner Dichte selbst. Es kann auf Größen von mehreren zehn Kilometern schrumpfen, und in solchen Momenten erfolgt die Rotation mit unglaublich hoher Geschwindigkeit. Diese Geschwindigkeit erreicht in manchen Fällen Tausendstelsekunden. Von dort kommen elektromagnetische Strahlungswellen.
Quasare und Pulsare können als die ungewöhnlichsten und mysteriösesten Entdeckungen der Astronomie bezeichnet werden. Auf der Oberfläche eines Neutronensterns (Pulsar) herrscht ein geringerer Druck als in seinem Zentrum, weshalb Neutronen in Elektronen und Protonen zerfallen. Durch das Vorhandensein eines starken Magnetfelds werden Elektronen auf unglaubliche Geschwindigkeiten beschleunigt. Manchmal erreicht diese Geschwindigkeit die Lichtgeschwindigkeit, was zum Ausstoß von Elektronen aus den Magnetpolen des Sterns führt. Zwei schmale Strahlen elektromagnetischer Wellen – genau so sieht die Bewegung geladener Teilchen aus. Das heißt, Elektronen emittieren Strahlung in ihrer Richtung.
Wenn wir die Liste ungewöhnlicher Phänomene im Zusammenhang mit Neutronensternen fortsetzen, sollten wir ihre äußere Schicht beachten. In dieser Sphäre gibt es Räume, in denen der Kern aufgrund unzureichender Materiedichte nicht zerstört werden kann. Die Folge davon ist die Bedeckung der dichtesten Kruste durch die Bildung einer kristallinen Struktur. Dadurch baut sich Spannung auf und ab einem bestimmten Punkt beginnt diese dichte Oberfläche zu reißen. Wissenschaftler nannten dieses Phänomen „Sternbeben“.
Pulsare und Quasare sind noch völlig unerforscht. Aber wenn uns erstaunliche Forschungen etwas über Pulsare oder die sogenannten sagen würden. Während Neutronensterne viel Neues enthalten, halten Quasare die Astronomen vor dem Unbekannten in Atem.
Die Welt erfuhr erstmals 1960 von Quasaren. Die Entdeckung ergab, dass es sich um Objekte mit kleinen Winkelabmessungen handelt, die sich durch eine hohe Leuchtkraft auszeichnen und ihrer Klasse nach zu extragalaktischen Objekten gehören. Da sie eine relativ kleine Winkelgröße haben, glaubte man viele Jahre lang, dass es sich nur um Sterne handelte.
Die genaue Anzahl der entdeckten Quasare ist unbekannt, aber im Jahr 2005 wurden Studien durchgeführt, in denen es 195.000 Quasare gab. Über sie ist bislang nichts klärbares bekannt. Es gibt viele Annahmen, aber für keine davon gibt es Beweise.
Astronomen haben lediglich herausgefunden, dass ihre Helligkeit über einen Zeitraum von weniger als 24 Stunden ausreichend variabel ist. Anhand dieser Daten kann man ihre relativ kleine Größe des Strahlungsbereichs feststellen, die mit der Größe des Sonnensystems vergleichbar ist. Gefundene Quasare existieren in Entfernungen von bis zu 10 Milliarden Lichtjahren. Wir konnten sie aufgrund ihrer hohen Leuchtkraft sehen.
Das unserem Planeten am nächsten gelegene Objekt dieser Art befindet sich etwa 2 Milliarden Lichtjahre entfernt. Vielleicht werden zukünftige Forschungen und die neuesten Technologien, die dabei zum Einsatz kommen, der Menschheit neues Wissen über die weißen Flecken im Weltraum liefern.
– Dabei handelt es sich um kosmische Quellen von Radio-, optischer, Röntgen- und/oder Gammastrahlung, die in Form periodischer Ausbrüche (Pulse) auf die Erde gelangen.
Daher werden sie je nach Art der Strahlung in Radiopulsare, optische Pulsare, Röntgen- und/oder Gammapulsare unterteilt. Die Natur der Pulsarstrahlung ist noch nicht vollständig geklärt; Modelle von Pulsaren und die Mechanismen, durch die sie Energie emittieren, werden theoretisch untersucht. Heute herrscht die Meinung vor, dass Pulsare rotierende Neutronensterne mit einem starken Magnetfeld sind.
Entdeckung von Pulsaren
Dies geschah im Jahr 1967. Der englische Radioastronom E. Hewish und seine Mitarbeiter entdeckten kurze Radioimpulse, die wie von einem leeren Ort im Weltraum kamen und sich mit einer Periode von mindestens einer Sekunde stabil wiederholten. Die Ergebnisse der Beobachtungen dieses Phänomens wurden zunächst geheim gehalten, weil Man könnte annehmen, dass diese Funkimpulse künstlichen Ursprungs sind – vielleicht handelt es sich dabei um Signale einer außerirdischen Zivilisation? Es wurde jedoch keine Strahlungsquelle gefunden, die sich in einer Umlaufbahn bewegt, aber Hewishs Gruppe fand drei weitere Quellen ähnlicher Signale. So verschwand die Hoffnung auf Signale einer außerirdischen Zivilisation, und im Februar 1968 erschien eine Nachricht über die Entdeckung sich schnell verändernder außerirdischer Radioquellen unbekannter Natur mit einer äußerst stabilen Frequenz.
Diese Botschaft erregte großes Aufsehen und 1974 erhielt Hewish für diese Entdeckung den Nobelpreis. Dieser Pulsar heißt PSR J1921+2153. Derzeit sind etwa zweitausend Radiopulsare bekannt; sie werden normalerweise mit den Buchstaben PSR und Zahlen bezeichnet, die ihre äquatorialen Koordinaten angeben.
Was ist ein Radiopulsar?
Astrophysiker sind sich einig, dass es sich um einen Radiopulsar handelt Neutronenstern. Er sendet eng gerichtete Radioemissionsströme aus, und durch die Rotation des Neutronensterns gelangt der Strom in regelmäßigen Abständen in das Sichtfeld eines externen Beobachters – so entstehen Pulsarimpulse. Die meisten Astronomen gehen davon aus, dass es sich bei Pulsaren um winzige Neutronensterne mit einem Durchmesser von mehreren Kilometern handelt, die sich in Sekundenbruchteilen drehen. Manchmal werden sie sogar „Sternkreisel“ genannt. Aufgrund des Magnetfelds ähnelt die Strahlung des Pulsars dem Strahl eines Suchscheinwerfers: Wenn der Strahl aufgrund der Rotation des Neutronensterns auf die Antenne eines Radioteleskops trifft, sind Strahlungsausbrüche sichtbar. Pulsarsignale mit unterschiedlichen Radiofrequenzen bewegen sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten durch interstellares Plasma. Anhand der gegenseitigen Verzögerung der Signale wird die Entfernung zum Pulsar bestimmt und dessen Standort in der Galaxie bestimmt. Die Verteilung der Pulsare entspricht in etwa der Verteilung der Supernova-Überreste.
Röntgenpulsare
Ein Röntgenpulsar ist enges Binärsystem, eine der Komponenten davon ist Neutronenstern, und der zweite - normaler Stern, wodurch Materie von einem gewöhnlichen Stern zu einem Neutronenstern fließt. Neutronensterne- Dabei handelt es sich um Sterne mit sehr geringer Größe (20–30 km Durchmesser) und extrem hoher Dichte, die die Dichte des Atomkerns übersteigt. Astronomen gehen davon aus, dass Neutronensterne als Folge von Supernova-Explosionen entstehen. Wenn eine Supernova explodiert, kollabiert der Kern eines normalen Sterns schnell, der sich dann in einen Neutronenstern verwandelt. Während der Kompression kommt es aufgrund des Gesetzes der Erhaltung des Drehimpulses sowie der Erhaltung des magnetischen Flusses zu einem starken Anstieg der Rotationsgeschwindigkeit und des Magnetfelds des Sterns. Daher sind diese beiden Merkmale für einen Röntgenpulsar wichtig: schnelle Rotationsgeschwindigkeit und extrem hohe Magnetfelder. Materie, die auf die feste Oberfläche eines Neutronensterns trifft, wird sehr heiß und beginnt, Röntgenstrahlung auszusenden. Nahe Verwandte von Röntgenpulsaren sind Polaren und Zwischenpolaren. Der Unterschied zwischen Pulsaren und Polaren besteht darin, dass ein Pulsar ein Neutronenstern ist, während ein Polar ein Weißer Zwerg ist. Dementsprechend haben sie geringere Magnetfelder und Rotationsgeschwindigkeiten.
Optische Pulsare
Im Januar 1969 wurde die Pulsarregion im Krebsnebel mit einem optischen Teleskop untersucht, dessen fotoelektrische Ausrüstung in der Lage war, schnelle Helligkeitsschwankungen zu erkennen. Es wurde festgestellt, dass es in diesem Nebel ein optisches Objekt mit Helligkeitsschwankungen gibt, die die gleiche Periode wie der Radiopulsar haben. Es stellte sich heraus, dass es sich bei diesem Objekt um einen Stern der 16. Größe im Zentrum des Nebels handelte. Es hatte eine Art unleserliches Spektrum ohne Spektrallinien. Bei der Erforschung des Krebsnebels im Jahr 1942 wies V. Baade darauf hin, dass es sich um einen möglichen stellaren Supernova-Überrest handeln könnte, und I.S. Shklovsky vermutete in späteren Jahren, dass es sich um eine Quelle relativistischer Teilchen und hochenergetischer Photonen handelte. Aber all das waren nur Annahmen. Und dann stellte sich heraus, dass es der Stern war optischer Pulsar, mit der gleichen Periode und dem gleichen Interpulsar wie ein Radiopulsar, und physikalisch sollte es sich um einen Neutronenstern handeln, dessen Energieverbrauch ausreicht, um das Leuchten und alle Arten von Strahlung des Krebsnebels aufrechtzuerhalten. Nach der Entdeckung des optischen Pulsars wurden weitere Supernova-Überreste durchsucht, insbesondere solche, in denen bereits Radiopulsare gefunden worden waren. Doch erst 1977 gelang es australischen Astronomen mit spezieller Ausrüstung, die Pulsation im optischen Bereich eines außergewöhnlich schwachen Sterns der 25. Größe im Supernova-Überrest Vela X zu erkennen. Der dritte optische Pulsar wurde 1982 im Sternbild Vulpecula durch Radioemission entdeckt . Kein Supernova-Überrest gefunden.
Was ist ein optischer Pulsar? Die zentralen Komponenten der Spektrallinien von SS 433 zeigen Bewegungen mit einer Periode von 13 Tagen und Geschwindigkeitsänderungen von -73 bis +73 km/s. Offenbar gibt es auch hier ein enges Doppelsternsystem, bestehend aus einem optisch beobachtbaren heißen Überriesen der O- oder B-Klasse und einer optisch unsichtbaren Röntgenkomponente. Der Überriese hat eine Masse von mehr als zehn Sonnenmassen; er hat sich bis an die äußersten Grenzen seiner eigenen Gravitationszone aufgeblasen und füllt die die Röntgenkomponente entlang des Äquators umgebende Scheibe mit seinem Gas auf. Die Ebene der Scheibe steht senkrecht zur Rotationsachse des kompakten Objekts, die die Röntgenkomponente darstellt, und liegt nicht in der Orbitalebene des Doppelsternsystems. Daher verhalten sich die Scheibe und beide Gasstrahlen wie ein schräg rotierender Kreisel, und ihre Rotationsachse präzediert (beschreibt einen Kegel) und macht eine Umdrehung in 164 Tagen (dies ist ein bekanntes Phänomen der Präzession rotierender Körper). Die Röntgenkomponente, die das Gas der Scheibe auffrisst und Strahlen ausstößt, könnte ein Neutronenstern sein.
Sie gehören zu den stärksten kosmischen Quellen von Gammastrahlung. Astrophysiker wollen unbedingt herausfinden, wie es diesen Neutronensternen gelingt, im Gammastrahlenbereich so hell zu leuchten. Vor dem Start des Fermi-Teleskops waren nur etwa ein Dutzend Gammapulsare bekannt, während die Gesamtzahl der Pulsare etwa 1800 betrug. Jetzt hat das neue Observatorium damit begonnen, Dutzende Gammapulsare zu entdecken. Wissenschaftler hoffen, dass ihre Arbeit viele wertvolle Informationen liefern wird, die dazu beitragen werden, die Natur von Gammapulsaren und anderen kosmischen Generatoren von Gammastrahlen besser zu verstehen.
Im Jahr 2012 entdeckten Astronomen mit dem Fermi-Gammastrahlen-Orbitalteleskop den bisher schnellsten Gammastrahlenpulsar im Sternbild Centaurus, der alle 2,5 Millisekunden eine Umdrehung vollführte und die Überreste eines Begleitsterns von der Größe Jupiters verschlang. ( Gammastrahlung (gamma Strahlen, γ-Strahlen) – eine Art elektromagnetischer Strahlung mit extrem kurzer Wellenlänge –< 5·10 −3 нм и, вследствие этого, ярко выраженными корпускулярными и слабо выраженными волновыми свойствами. На картинке гамма-излучение показано фиолетовым цветом.
Fassen wir zusammen...
Neutronensterne– erstaunliche Objekte. Sie wurden in letzter Zeit mit besonderem Interesse beobachtet, weil... Das Geheimnis liegt nicht nur in ihrer Struktur, sondern auch in ihrer enormen Dichte und ihren starken Magnet- und Gravitationsfeldern. Dort befindet sich die Materie in einem besonderen Zustand, der an einen riesigen Atomkern erinnert, und dieser Zustand lässt sich in irdischen Laboren nicht reproduzieren.
Ein Pulsar ist einfach ein riesiger magnetisierter Kreisel, der sich um eine Achse dreht, die nicht mit der Achse des Magneten übereinstimmt. Wenn nichts darauf fallen würde und es nichts aussenden würde, dann hätte seine Radioemission eine Rotationsfrequenz und wir würden es auf der Erde nie hören. Tatsache ist jedoch, dass dieser Kreisel eine kolossale Masse und eine hohe Oberflächentemperatur hat und das rotierende Magnetfeld ein elektrisches Feld von enormer Intensität erzeugt, das Protonen und Elektronen nahezu auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigen kann. Darüber hinaus sind alle geladenen Teilchen, die um den Pulsar strömen, in seinem riesigen Magnetfeld gefangen. Und nur innerhalb eines kleinen Raumwinkels um die magnetische Achse können sie sich befreien (Neutronensterne haben die stärksten Magnetfelder im Universum und erreichen 1010–1014 Gauss. Vergleichen Sie: Das Erdfeld beträgt 1 Gauss, das Sonnenfeld beträgt 10–50 Gauss ). Es sind diese Ströme geladener Teilchen, die die Quelle der Radioemission sind, aus der Pulsare entdeckt wurden, die sich später als Neutronensterne herausstellten. Da die magnetische Achse eines Neutronensterns nicht unbedingt mit seiner Rotationsachse übereinstimmt, breitet sich bei der Drehung des Sterns ein Strom von Radiowellen durch den Raum aus wie der Strahl eines blinkenden Leuchtfeuers – und durchschneidet nur für einen Moment die umgebende Dunkelheit.
Pulsare wurden Mitte der 60er Jahre des 20. Jahrhunderts völlig zufällig entdeckt. Dies geschah bei Beobachtungen mit einem Radioteleskop, das ursprünglich zur Untersuchung verschiedener flackernder Quellen in den unerforschten Tiefen des Weltraums konzipiert war. Was sind diese Weltraumobjekte?
Entdeckung von Pulsaren durch britische Forscher
Eine Gruppe von Wissenschaftlern – Jocelyn Bell, Anthony Huis und andere – forschte an der Universität Cambridge. Diese Impulse kamen mit einer Frequenz von 0,3 Sekunden an und ihre Frequenz betrug 81,5 MHz. Zu diesem Zeitpunkt hatten die Astronomen noch keine Gedanken darüber gemacht, was ein Pulsar wirklich ist und was seine Natur ist. Das erste, was ihnen auffiel, war die erstaunliche Häufigkeit der „Nachrichten“, die sie entdeckten. Schließlich trat gewöhnliches Flackern in einem chaotischen Modus auf. Unter Wissenschaftlern gab es sogar die Annahme, dass diese Signale ein Beweis dafür seien, dass eine außerirdische Zivilisation versucht, die Menschheit zu erreichen. Um sie zu bezeichnen, wurde der Name LGM eingeführt – diese englische Abkürzung bedeutete kleine grüne Männer („little green men“). Forscher begannen ernsthafte Versuche, den mysteriösen „Code“ zu entschlüsseln, und zogen dafür bedeutende Codeknacker aus der ganzen Welt an. Ihre Versuche waren jedoch erfolglos.
In den nächsten drei Jahren entdeckten Astronomen drei weitere ähnliche Quellen. Und dann erkannten Wissenschaftler, was ein Pulsar war. Es stellte sich heraus, dass es sich um ein weiteres Objekt des Universums handelte, das nichts mit außerirdischen Zivilisationen zu tun hat. Damals erhielten Pulsare ihren Namen. Für ihre Entdeckung wurde der Wissenschaftler Anthony Hewish mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet.
Was sind Neutronensterne?
Aber trotz der Tatsache, dass diese Entdeckung schon vor ziemlich langer Zeit stattfand, sind viele immer noch an der Antwort auf die Frage „Was ist ein Pulsar“ interessiert? Dies ist nicht verwunderlich, denn nicht jeder kann sich rühmen, dass an seiner Schule oder Universität Astronomie auf höchstem Niveau gelehrt wurde. Wir beantworten die Frage: Ein Pulsar ist ein Neutronenstern, der nach einer Supernova-Explosion entsteht. Und so lässt sich die einst überraschende Konstanz der Pulsation leicht erklären – ihr Grund ist die Stabilität der Rotation dieser Neutronensterne.
In der Astronomie werden Pulsare mit einer vierstelligen Zahl bezeichnet. Darüber hinaus geben die ersten beiden Ziffern des Namens die Stunden und die nächsten zwei Minuten an, in denen der rechte Aufstieg des Pulses erfolgt. Und vor den Zahlen stehen zwei lateinische Buchstaben, die den Ort der Öffnung verschlüsseln. Der allererste aller entdeckten Pulsare hieß CP 1919 (oder „Cambridge Pulsar“).
Quasare
Was sind Pulsare und Quasare? Wir haben bereits herausgefunden, dass Pulsare die stärksten Radioquellen sind, deren Strahlung in einzelnen Impulsen einer bestimmten Frequenz konzentriert ist. Quasare gehören auch zu den interessantesten Objekten im gesamten Universum. Sie sind außerdem extrem hell – sie übertreffen die Gesamtstrahlungsintensität von Galaxien, die der Milchstraße ähnlich sind. Quasare wurden von Astronomen als Objekte mit hoher Rotverschiebung entdeckt. Einer der weit verbreiteten Theorien zufolge handelt es sich bei Quasaren um Galaxien im Anfangsstadium ihrer Entwicklung, in denen sich etwas befindet
Der hellste Pulsar der Geschichte
Eines der bekanntesten Objekte dieser Art im Universum ist der Pulsar im Krebsnebel. Diese Entdeckung zeigt, dass ein Pulsar eines der erstaunlichsten Objekte im gesamten Universum ist.
Die Explosion eines Neutronensterns im aktuellen Krebsnebel war so gewaltig, dass sie nicht einmal in die moderne Theorie der Astrophysik passt. Im Jahr 1054 n. Chr e. Am Himmel leuchtete ein neuer Stern, der heute SN 1054 heißt. Seine Explosion wurde sogar tagsüber beobachtet, was in den historischen Chroniken Chinas und arabischer Länder belegt ist. Interessant ist, dass Europa diese Explosion nicht bemerkte – damals war die Gesellschaft so in die Verhandlungen zwischen dem Papst und seinem Legaten, Kardinal Humbert, vertieft, dass kein einziger Wissenschaftler dieser Zeit diese Explosion in seinen Werken festhielt. Und mehrere Jahrhunderte später wurde am Ort dieser Explosion ein neuer Nebel entdeckt, der später als Krebsnebel bekannt wurde. Aus irgendeinem Grund erinnerte seine Form seinen Entdecker William Parsons an eine Krabbe.
Und 1968 wurde der Pulsar PSR B0531+21 erstmals entdeckt, und dieser Pulsar war der erste, den Wissenschaftler mit Supernova-Überresten identifizierten. Die Quelle der Pulsation ist streng genommen nicht der Stern selbst, sondern das sogenannte Sekundärplasma, das im Magnetfeld eines mit rasender Geschwindigkeit rotierenden Sterns entsteht. Die Rotationsfrequenz des Krebsnebelpulsars beträgt 30 Mal pro Sekunde.
Eine Entdeckung, die nicht in den Rahmen moderner Theorien passt
Doch dieser Pulsar überrascht nicht nur durch seine Helligkeit und Frequenz. Kürzlich wurde entdeckt, dass PSR B0531+21 radioaktive Strahlen in einem Bereich aussendet, der die 100-Milliarden-Volt-Marke überschreitet. Diese Zahl ist millionenfach höher als die Strahlung, die in medizinischen Geräten verwendet wird, und sie ist auch zehnmal höher als der in der modernen Theorie der Gammastrahlen beschriebene Wert. Martin Schroeder, ein amerikanischer Astronom, drückt es so aus: „Wenn Sie noch vor zwei Jahren einen Astrophysiker gefragt hätten, ob diese Art von Strahlung nachweisbar sei, hätten Sie ein klares „Nein“ erhalten. Es gibt einfach keine solche Theorie, die die von uns entdeckte Tatsache berücksichtigen kann.“
Was sind Pulsare und wie sind sie entstanden: das Geheimnis der Astronomie
Dank Untersuchungen des Krebsnebel-Pulsars haben Wissenschaftler eine Vorstellung von der Natur dieser mysteriösen Weltraumobjekte. Jetzt kann man sich mehr oder weniger deutlich vorstellen, was ein Pulsar ist. Ihr Auftreten erklärt sich aus der Tatsache, dass einige Sterne im Endstadium ihrer Entwicklung explodieren und mit riesigen Feuerwerkskörpern aufblitzen – eine Supernova entsteht. Sie unterscheiden sich von gewöhnlichen Sternen durch die Kraft ihres Leuchtfeuers. Insgesamt ereignen sich in unserer Galaxie pro Jahr etwa 100 solcher Flares. Innerhalb weniger Tage steigert eine Supernova ihre Leuchtkraft um das Millionenfache.
Ausnahmslos alle Nebel sowie Pulsare erscheinen am Ort von Supernova-Explosionen. Allerdings können nicht in allen Überresten dieser Art von Himmelskörpern Pulsare beobachtet werden. Dies sollte Astronomieliebhaber nicht verwirren – schließlich kann ein Pulsar nur beobachtet werden, wenn er sich in einem bestimmten Rotationswinkel befindet. Darüber hinaus „leben“ Pulsare aufgrund ihrer Natur länger als die Nebel, in denen sie entstehen. Wissenschaftler können die Gründe, die dazu führen, dass ein abgekühlter und scheinbar schon lange toter Stern zu einer Quelle starker Radioemission wird, immer noch nicht genau bestimmen. Trotz der Fülle an Hypothesen müssen Astronomen diese Frage in Zukunft beantworten.
Pulsare mit der kürzesten Rotationsperiode
Wer sich fragt, was ein Pulsar ist und was die neuesten Nachrichten von Astrophysikern über diese Himmelsobjekte sind, wird wahrscheinlich daran interessiert sein, die Gesamtzahl der bisher entdeckten Sterne dieser Art zu erfahren. Heute kennen Wissenschaftler mehr als 1.300 Pulsare. Darüber hinaus pulsiert eine große Anzahl – etwa 90 % – dieser Sterne im Bereich von 0,1 bis 1 Sekunde. Es gibt sogar Pulsare mit noch kürzeren Perioden – sie werden Millisekunden genannt. Einer von ihnen wurde 1982 von Astronomen im Sternbild Vulpecula entdeckt. Seine Rotationsperiode betrug nur 0,00155 Sekunden. Eine schematische Darstellung eines Pulsars umfasst die Rotationsachse, das Magnetfeld und die Radiowellen.
Solche kurzen Rotationsperioden von Pulsaren dienten als Hauptargument für die Annahme, dass es sich ihrer Natur nach um rotierende Neutronensterne handelt (Pulsar ist ein Synonym für den Ausdruck „Neutronenstern“). Schließlich muss ein Himmelskörper mit einer solchen Rotationsperiode sehr dicht sein. Die Forschung an diesen Objekten ist noch nicht abgeschlossen. Nachdem Wissenschaftler herausgefunden hatten, was Neutronenpulsare sind, blieben sie nicht bei zuvor entdeckten Fakten stehen. Schließlich waren diese Sterne wirklich erstaunlich – ihre Existenz war nur unter der Bedingung möglich, dass die durch die Rotation entstehenden Zentrifugalkräfte geringer sind als die Gravitationskräfte, die die Materie des Pulsars binden.
Verschiedene Arten von Neutronensternen
Später stellte sich heraus, dass Pulsare mit Millisekunden-Rotationsperioden nicht die jüngsten, sondern im Gegenteil eine der ältesten sind. Und Pulsare dieser Kategorie hatten die schwächsten Magnetfelder.
Es gibt auch eine Art Neutronenstern, die Röntgenpulsare genannt wird. Dabei handelt es sich um Himmelskörper, die Röntgenstrahlen aussenden. Sie fallen auch in die Kategorie der Neutronensterne. Allerdings verhalten sich Radiopulsare und Röntgen emittierende Sterne unterschiedlich und haben unterschiedliche Eigenschaften. Der erste Pulsar dieser Art wurde 1972 entdeckt
Die Natur von Pulsaren
Als Forscher begannen, zu untersuchen, was Pulsare sind, kamen sie zu dem Schluss, dass Neutronensterne die gleiche Beschaffenheit und Dichte wie Atomkerne haben. Diese Schlussfolgerung wurde gezogen, weil alle Pulsare durch harte Strahlung gekennzeichnet sind – genau die gleiche, die mit Kernreaktionen einhergeht. Weitere Berechnungen erlaubten den Astronomen jedoch eine andere Aussage. Eine Art kosmisches Objekt, ein Pulsar, ist ein Himmelskörper, der Riesenplaneten (auch „Infrarotsterne“ genannt) ähnelt.
>Im Zentrum der M82-Galaxie ist ein Pulsar (rosa) zu sehen.
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Pulsare
Pulsare Es handelt sich um kugelförmige, kompakte Objekte, deren Ausmaße nicht über die Grenzen einer Großstadt hinausreichen. Das Überraschende ist, dass sie mit einem solchen Volumen massemäßig die Sonnenmasse übertreffen. Sie werden verwendet, um extreme Zustände der Materie zu untersuchen, Planeten außerhalb unseres Systems zu entdecken und kosmische Entfernungen zu messen. Darüber hinaus halfen sie dabei, Gravitationswellen zu finden, die auf energetische Ereignisse wie supermassereiche Kollisionen hinweisen. Erstmals 1967 entdeckt.
Was ist ein Pulsar?
Wenn Sie am Himmel nach einem Pulsar suchen, scheint es sich um einen gewöhnlichen funkelnden Stern zu handeln, der einem bestimmten Rhythmus folgt. Tatsächlich flackert oder pulsiert ihr Licht nicht und sie erscheinen nicht wie Sterne.
Der Pulsar erzeugt zwei anhaltende, schmale Lichtstrahlen in entgegengesetzte Richtungen. Der Flackereffekt entsteht durch die Rotation (Beacon-Prinzip). In diesem Moment trifft der Strahl auf die Erde und dreht sich dann erneut. Warum passiert das? Tatsache ist, dass der Lichtstrahl eines Pulsars normalerweise nicht auf seine Rotationsachse ausgerichtet ist.
Wenn das Blinken durch Rotation erzeugt wird, spiegelt die Geschwindigkeit der Impulse die Geschwindigkeit wider, mit der sich der Pulsar dreht. Insgesamt wurden 2.000 Pulsare gefunden, von denen sich die meisten einmal pro Sekunde drehen. Aber es gibt ungefähr 200 Objekte, die es schaffen, in derselben Zeit hundert Umdrehungen zu machen. Die schnellsten werden als Millisekunden-Modelle bezeichnet, da ihre Anzahl Umdrehungen pro Sekunde 700 beträgt.
Pulsare können nicht als Sterne betrachtet werden, zumindest nicht als „lebend“. Es handelt sich vielmehr um Neutronensterne, die entstehen, nachdem einem massereichen Stern der Treibstoff ausgeht und er kollabiert. Dadurch entsteht eine starke Explosion – eine Supernova, und das verbleibende dichte Material verwandelt sich in einen Neutronenstern.
Der Durchmesser der Pulsare im Universum erreicht 20–24 km und ihre Masse ist doppelt so groß wie die der Sonne. Um Ihnen eine Vorstellung zu geben: Ein Stück eines solchen Objekts in der Größe eines Zuckerwürfels wiegt 1 Milliarde Tonnen. Das heißt, etwas so Schweres wie der Everest passt in Ihre Hand! Es stimmt, es gibt ein noch dichteres Objekt – ein Schwarzes Loch. Der massereichste erreicht 2,04 Sonnenmassen.
Pulsare haben ein starkes Magnetfeld, das 100 Millionen bis 1 Billiarde Mal stärker ist als das der Erde. Damit ein Neutronenstern wie ein Pulsar Licht aussenden kann, muss er das richtige Verhältnis von Magnetfeldstärke und Rotationsgeschwindigkeit haben. Es kommt vor, dass ein Radiowellenstrahl das Sichtfeld eines bodengestützten Teleskops nicht durchdringt und unsichtbar bleibt.
Radiopulsare
Der Astrophysiker Anton Biryukov über die Physik von Neutronensternen, die Verlangsamung der Rotation und die Entdeckung von Gravitationswellen:
Warum rotieren Pulsare?
Die Langsamkeit eines Pulsars beträgt eine Umdrehung pro Sekunde. Die schnellsten beschleunigen auf Hunderte von Umdrehungen pro Sekunde und werden Millisekunde genannt. Der Rotationsprozess findet statt, weil die Sterne, aus denen sie entstanden sind, sich ebenfalls drehten. Um diese Geschwindigkeit zu erreichen, benötigen Sie jedoch eine zusätzliche Quelle.
Forscher gehen davon aus, dass Millisekundenpulsare dadurch entstanden sind, dass einem Nachbarn Energie gestohlen wurde. Möglicherweise bemerken Sie das Vorhandensein einer Fremdsubstanz, die die Rotationsgeschwindigkeit erhöht. Und das ist nicht gut für den verletzten Begleiter, der eines Tages vollständig vom Pulsar verschlungen werden könnte. Solche Systeme werden Schwarze Witwen genannt (nach einer gefährlichen Spinnenart).
Pulsare können Licht in mehreren Wellenlängen aussenden (von Radio bis Gammastrahlung). Aber wie machen sie das? Eine genaue Antwort können Wissenschaftler noch nicht finden. Es wird angenommen, dass für jede Wellenlänge ein eigener Mechanismus verantwortlich ist. Bakenartige Strahlen bestehen aus Radiowellen. Sie sind hell und schmal und ähneln kohärentem Licht, bei dem die Partikel einen fokussierten Strahl bilden.
Je schneller die Rotation, desto schwächer das Magnetfeld. Aber die Rotationsgeschwindigkeit reicht aus, um ebenso helle Strahlen wie langsame auszusenden.
Bei der Rotation erzeugt das Magnetfeld ein elektrisches Feld, das geladene Teilchen in einen beweglichen Zustand (elektrischen Strom) bringen kann. Der Bereich über der Oberfläche, in dem das Magnetfeld dominiert, wird Magnetosphäre genannt. Hier werden geladene Teilchen durch ein starkes elektrisches Feld auf unglaublich hohe Geschwindigkeiten beschleunigt. Jedes Mal, wenn sie beschleunigen, senden sie Licht aus. Es wird im optischen und röntgenologischen Bereich angezeigt.
Was ist mit Gammastrahlen? Untersuchungen legen nahe, dass ihre Quelle anderswo in der Nähe des Pulsars gesucht werden sollte. Und sie werden einem Fächer ähneln.
Suche nach Pulsaren
Radioteleskope bleiben die wichtigste Methode zur Suche nach Pulsaren im Weltraum. Sie sind im Vergleich zu anderen Objekten klein und lichtschwach, daher muss man den gesamten Himmel abtasten und nach und nach gelangen diese Objekte in die Linse. Die meisten wurden mit dem Parkes-Observatorium in Australien gefunden. Ab 2018 werden viele neue Daten von der Square Kilometre Array Antenna (SKA) verfügbar sein.
Im Jahr 2008 wurde das GLAST-Teleskop gestartet, das 2050 Gammastrahlen aussendende Pulsare entdeckte, von denen 93 Millisekundenpulsare waren. Dieses Teleskop ist unglaublich nützlich, da es den gesamten Himmel scannt, während andere nur kleine Bereiche entlang der Ebene hervorheben.
Das Finden verschiedener Wellenlängen kann eine Herausforderung sein. Tatsache ist, dass Radiowellen unglaublich stark sind, aber möglicherweise einfach nicht in die Teleskoplinse gelangen. Gammastrahlung breitet sich jedoch über einen größeren Teil des Himmels aus, weist jedoch eine geringere Helligkeit auf.
Wissenschaftler wissen mittlerweile von der Existenz von 2.300 Pulsaren, die durch Radiowellen und 160 durch Gammastrahlen entdeckt wurden. Es gibt auch 240-Millisekunden-Pulsare, von denen 60 Gammastrahlen erzeugen.
Verwendung von Pulsaren
Pulsare sind nicht nur erstaunliche Weltraumobjekte, sondern auch nützliche Werkzeuge. Das emittierte Licht kann viel über innere Prozesse verraten. Das heißt, Forscher sind in der Lage, die Physik von Neutronensternen zu verstehen. Diese Objekte stehen unter einem so hohen Druck, dass sich das Verhalten der Materie vom üblichen unterscheidet. Der seltsame Inhalt von Neutronensternen wird „Kernpaste“ genannt.
Pulsare bieten aufgrund der Präzision ihrer Impulse viele Vorteile. Wissenschaftler kennen bestimmte Objekte und nehmen sie als kosmische Uhren wahr. So entstanden Spekulationen über die Anwesenheit anderer Planeten. Tatsächlich umkreiste der erste gefundene Exoplanet einen Pulsar.
Vergessen Sie nicht, dass sich Pulsare weiter bewegen, während sie „blinken“, was bedeutet, dass sie zur Messung kosmischer Entfernungen verwendet werden können. Sie waren auch daran beteiligt, Einsteins Relativitätstheorie zu testen, wie Momente mit der Schwerkraft. Doch die Regelmäßigkeit der Pulsation kann durch Gravitationswellen gestört werden. Dies wurde im Februar 2016 festgestellt.
Pulsar-Friedhöfe
Allmählich werden alle Pulsare langsamer. Die Strahlung wird durch das durch die Rotation erzeugte Magnetfeld angetrieben. Dadurch verliert es auch seine Leistung und sendet keine Strahlen mehr. Wissenschaftler haben eine spezielle Grenze gezogen, nach der Gammastrahlen noch vor Radiowellen nachweisbar sind. Sobald der Pulsar unterschreitet, wird er auf dem Pulsarfriedhof abgeschrieben.
Wenn aus den Überresten einer Supernova ein Pulsar entstanden ist, dann verfügt er über eine enorme Energiereserve und eine hohe Rotationsgeschwindigkeit. Beispiele hierfür sind das junge Objekt PSR B0531+21. Es kann mehrere hunderttausend Jahre in dieser Phase bleiben, danach beginnt es an Geschwindigkeit zu verlieren. Pulsare mittleren Alters machen die Mehrheit der Bevölkerung aus und erzeugen ausschließlich Radiowellen.
Allerdings kann ein Pulsar seine Lebensdauer verlängern, wenn sich ein Satellit in der Nähe befindet. Dann zieht es sein Material heraus und erhöht die Rotationsgeschwindigkeit. Solche Veränderungen können jederzeit auftreten, weshalb der Pulsar zur Wiedergeburt fähig ist. Ein solcher Kontakt wird als Röntgen-Binärsystem mit geringer Masse bezeichnet. Die ältesten Pulsare sind Millisekundenpulsare. Einige werden Milliarden Jahre alt.
Neutronensterne
Neutronensterne- eher mysteriöse Objekte, die die Sonnenmasse um das 1,4-fache überschreiten. Sie entstehen nach der Explosion größerer Sterne. Lernen wir diese Formationen besser kennen.
Wenn ein Stern explodiert, der vier- bis achtmal so massereich ist wie die Sonne, bleibt ein hochdichter Kern zurück, der weiter kollabiert. Die Schwerkraft drückt so stark auf ein Material, dass Protonen und Elektronen zu Neutronen verschmelzen. So entsteht ein Neutronenstern mit hoher Dichte.
Diese massiven Objekte können einen Durchmesser von nur 20 km erreichen. Um Ihnen eine Vorstellung von der Dichte zu geben: Nur eine Kugel Neutronensternmaterial würde eine Milliarde Tonnen wiegen. Die Schwerkraft auf einem solchen Objekt ist zwei Milliarden Mal stärker als die der Erde, und die Kraft reicht für die Gravitationslinse aus, die es Wissenschaftlern ermöglicht, die Rückseite des Sterns zu betrachten.
Der Schock der Explosion hinterlässt einen Impuls, der den Neutronenstern in Drehung versetzt und mehrere Umdrehungen pro Sekunde erreicht. Obwohl sie bis zu 43.000 Mal pro Minute beschleunigen können.
Grenzschichten in der Nähe kompakter Objekte
Der Astrophysiker Valery Suleymanov über die Entstehung von Akkretionsscheiben, Sternwind und Materie um Neutronensterne:
Das Innere von Neutronensternen
Der Astrophysiker Sergei Popov über extreme Materiezustände, die Zusammensetzung von Neutronensternen und Methoden zur Untersuchung des Inneren:
Wenn ein Neutronenstern Teil eines Doppelsternsystems ist, in dem eine Supernova explodiert ist, ist das Bild noch beeindruckender. Wenn der zweite Stern eine geringere Masse als die Sonne hat, zieht er die Masse des Begleiters in den „Roche-Lappen“. Dabei handelt es sich um eine kugelförmige Materialwolke, die einen Neutronenstern umkreist. Wenn der Satellit zehnmal größer als die Sonnenmasse wäre, dann ist der Stofftransport ebenfalls angepasst, aber nicht so stabil. Das Material fließt entlang der Magnetpole, erwärmt sich und erzeugt Röntgenpulsationen.
Bis 2010 wurden 1.800 Pulsare mithilfe von Radiodetektion und 70 mithilfe von Gammastrahlen entdeckt. Einige Exemplare hatten sogar Planeten.
Arten von Neutronensternen
Bei einigen Vertretern der Neutronensterne strömen Materialstrahlen nahezu mit Lichtgeschwindigkeit. Wenn sie an uns vorbeifliegen, blinken sie wie das Licht eines Leuchtfeuers. Aus diesem Grund werden sie Pulsare genannt.
