Seit ihrer eher zufälligen Entdeckung im Jahre 1967 durch die junge Astronomin Jocelyn Bell und ihren Doktorvater Antony Hewish (Physik-Nobelpreis 1974) an der Universität Cambridge (England) faszinieren schnell rotierende Neutronensterne Wissenschaftler und Öffentlichkeit.


Kosmische Leuchtfeuer



Diese äußerst kleinen und kompakten Überreste massereicher Sterne, die bei einem Supernova-Ausbruch kollabiert sind, haben sehr starke Magnetfelder und senden entlang der Feldachse kegelförmig Radiowellen aus. Ist das Magnetfeld gegen die Rotationsachse geneigt, wirken sie wie kosmische Leuchttürme, von denen in periodischen Abständen Signale eintreffen, sofern die Erde im Schwenkbereich ihres Strahlungskegels liegt. Durch die Emission von elektromagnetischen Wellen und Teilchen verlieren solche Pulsare, wie sie genannt werden, allerdings Energie, so daß sich ihre Eigendrehung allmählich verlangsamt und die Pulsperiode entsprechend zunimmt. Nach etwa 10 bis 20 Millionen Jahren erlischt bei einer Rotationsdauer von 0,5 bis 4 Sekunden das Funkfeuer: Der himmlische Radiosender ist zum stillen Neutronenstern geworden.

Der jüngste bekannte Pulsar ist der Überrest einer 1054 von chinesischen Astronomen beobachteten Supernova im Krebsnebel. Bis 1982 galt er als derjenige mit der kleinsten Rotationsperiode: Sein Signal kommt pünktlich alle 0,033 Sekunden. Doch dann entdeckte man mit dem 300-Meter-Radioteleskop in Arecibo (Puerto Rico) im Sternbild Vulpecula (Füchschen) eine wesentlich schneller rotierende Radioquelle, deren Periode nur 1,558 Millisekunden beträgt. Bald darauf wurden weitere solche Millisekunden-Pulsare aufgespürt – teils als Einzelobjekte und teils als Komponenten von Doppelsternsystemen. Ihr Signal trifft so regelmäßig ein, daß sie ein besseres Zeitnormal setzen würden als die derzeit genauesten irdischen Atomuhren. Inzwischen kennt man mehrere Dutzend von ihnen.

Nach den ursprünglichen Vorstellungen müßte es sich dabei um rotierende Neutronensterne handeln, die noch wesentlich jünger wären als der im Krebsnebel. Statistische Betrachtungen über Häufigkeit, Alter und Abbremsraten der bekannten Pulsare ergaben jedoch, daß dies nicht möglich ist.

Statt dessen entwickelte man ein neues Entstehungsmodell für die Millisekunden-Strahler. Demnach erreichen sie ihr rasantes Rotationstempo durch Akkretionsprozesse in Binärsystemen: Durch gravitative Wechselwirkung zieht der Neutronenstern (oder Weiße Zwerg) nach und nach Materie an sich und wird dabei wie eine Eiskunstläuferin bei der Pirouette in immer schnellere Drehung versetzt. Die Beschleunigung endet erst, wenn die Gleichgewichtsperiode erreicht ist, bei der sich Gravitationsanziehung und Fliehkraft die Waage halten.

Die Akkretion kann mehr als 100 Millionen Jahre dauern und nicht nur erlahmte Pulsare wieder in Schwung bringen oder erloschene zu neuem Leben erwecken, sondern auch völlig neue Exemplare "kalt" (bei Temperaturen deutlich unter 100 Millionen Kelvin) entstehen lassen.

Im Jahre 1987 entdeckte man einen 3-Millisekunden-Pulsar in einem Kugelsternhaufen im Sternbild Schütze. Da derartige Ansammlungen die ältesten bekannten Sternpopulationen enthalten – mit Werten bis über 16 Milliarden Jahre –, sind Supernovae, die sich vor kurzem ereignet haben müßten, als Entstehungsursache ausgeschlossen. Am grundsätzlich verschiedenen Charakter junger und alter Pulsare konnte damit kein Zweifel mehr bestehen – die stellare Artenvielfalt war gewachsen.


Schwarze Witwen



Vor zehn Jahren ergaben dann Beobachtungen des Kugelsternhaufens M4 eine weitere wichtige Bestätigung für die Theorie: Man fand einen sehr alten 11-Millisekunden-Pulsar als Bestandteil eines Doppelsternsystems. Periodische Schwankungen der Pulsfrequenz zeigten, daß der rotierende Neutronenstern in 195 Tagen um ein anderes Objekt kreist.

Da sich der Begleitstern im Verlaufe des Akkretionsprozesses ganz auflösen kann, liefert das neue Modell auch eine natürliche Erklärung für isolierte Millisekunden-Pulsare. Voraussetzung ist, daß der Partner einen geringen Abstand zum Neutronenstern und weniger Masse als die Sonne hat. Heute kennt man fünf als "Schwarze Witwen" bezeichnete Millisekunden-Radiopulsare in Doppelsternsystemen, die ihren Begleiter vermutlich völlig verschlingen werden.

Bis es soweit ist, setzt die auf dem Neutronenstern auftreffende Materie allerdings intensive Röntgenstrahlung frei, so daß das Doppelsternsystem als helle Röntgenquelle erscheinen sollte. Röntgen-Doppelsterne geringer Masse, nach englisch low-mass X-ray binaries mit LMXB abgekürzt, gelten deshalb als mögliche Vorläufer der Millisekunden-Pulsare. Mit Röntgensatelliten wie EXOSAT von der Europäischen Raumfahrtagentur und ROSAT vom Max-Planck Institut für extraterrestrische Physik in Garching sind in den letzten 15 Jahren etliche Röntgen-Doppelsternsysteme unterschiedlicher Leuchtkraft nachgewiesen und erforscht worden.

Trotz intensiver Suche und präziser Modellvorstellungen ließen sich allerdings keine regelmäßigen Schwankungen der Röntgenstrahlung im Millisekundentakt entdecken, wie sie ein akkretierender Röntgen-Pulsar in einem Doppelsternsystem im Spätstadium seiner Entwicklung zeigen sollte. Lediglich sogenannte Quasi-Periodizitäten – ein stoßweises Flackern der Röntgenemissionen – wurden beobachtet.

Doch nun gelang es Rudy Wijnands von der Universität Amsterdam und seinem Kollegen Michiel van der Klis, diese Lücke zu schließen: Bei der Analyse von Daten, die der Röntgensatellit RXTE (Rossi X-ray timing explorer) der NASA im April letzten Jahres aufgenommen hatte, entdeckten sie bei einer Quelle mit dem Analyseverfahren der schnellen Fourier-Transformation (siehe Spektrum der Wissenschaft, August 1989, Seite 90) etwa 401 regelmäßige Röntgen-Pulsationen pro Sekunde, was einer Periode von 2,5-Millisekunden entspricht ("Nature", Band 394, Seite 344, 23. Juli 1998). Erst dieses große Röntgenteleskop machte es möglich, genügend hochenergetische Photonen zu sammeln, daß sich subtile Effekte von Pulsationen im Mikrosekundenbereich nachweisen ließen – ein Durchbruch in der Röntgenastronomie, der viele weitere Entdeckungen nach sich ziehen dürfte.

Die pulsierende Röntgenquelle, die nach ihren Himmelskoordinaten die Bezeichnung J1808-359 trägt, ist etwa vier Kiloparsec von der Erde entfernt, was knapp einem Sechstel des Durchmessers der Milchstraße entspricht. Inzwischen konnten Deepto Chakrabarty und Edward H. Morgan vom Massachusetts Institute of Technology in Cambridge anhand der RXTE-Daten auch die Bahnparameter des Röntgen-Doppelsternsystems bestimmen ("Nature", Band 394, Seite 346, 23. Juli 1998). Die Ankunftszeit der Pulse zeigt eine sinusförmige Modulation mit einer Periode von zwei Stunden, die der Dauer eines Umlaufs entspricht.

Aus den Beobachtungsdaten läßt sich ferner ableiten, daß der Neutronenstern etwa das 1,35fache und sein Begleiter weniger als 14 Prozent der Sonnenmasse hat. Die Entfernung zwischen beiden beträgt nur rund 300000 Kilometer – weniger als der Abstand des Mondes von der Erde (385000 Kilometer). Bei dieser Nähe kann der Pulsar ohne weiteres Materie von seinem Begleiter abziehen. Die Bahnparameter ähneln denen der bisher bekannten "Schwarzen Witwen", die Millisekunden-Pulse im Radiobereich emittieren.


Vom Ende einer stellaren Pirouette



Wieso hat die Entdeckung eines Millisekunden-Pulsars in einem Röntgen-Doppelsternsystem so lange auf sich warten lassen? Eine denkbare Erklärung ist, daß es sich bei J1808-359 um eine Quelle handelt, die nur dann vorübergehend nachweisbar wird, wenn der Neutronenstern besonders viel Material vom sonnenähnlichen Begleiter absaugt. Bei früheren Röntgenkartierungen hätte man solche Objekte übersehen, weil sie zufällig in einer weniger aktiven Phase waren. Nach der jetzigen Entdeckung sollten sich jedoch weitere Millisekunden-Röntgenpulsare finden lassen.

Durch fortgesetzte Messungen an J1808-359 läßt sich eventuell auch ermitteln, wie schnell die Rotationsperiode zunimmt, und daraus extrapolieren, wann die Materieakkretion vermutlich aufhört. Dies ist zwar kaum schon für die nächsten Jahre zu erwarten. Aber künftige Astronomengenerationen könnten vielleicht beobachten, wie sich der Röntgen- in einen Radiopulsar verwandelt, dessen Rotation sich dann – wie beim Öffnen der Arme nach der Pirouette – wieder allmählich verlangsamt.


Aus: Spektrum der Wissenschaft 1 / 1999, Seite 20
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