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Lexikon der Physik: Pulsare

Pulsare, rotierende Neutronensterne, von denen in regelmäßiger Folge Strahlungspulse empfangen werden. Die Pulsperioden liegen zwischen 0,0015 und 4,5 Sekunden, wobei die Pulslänge selbst nur etwa 5 % der Pulsdauer ausmacht. Die Pulse werden vorwiegend im Radiobereich empfangen, einige Pulsare lassen sich aber auch im Röntgen- und Gamma- sowie im optischen Bereich nachweisen. Das berühmteste Beispiel ist der Pulsar im Krebs-Nebel mit einer Periode von 0,033 Sekunden. Er wurde auf Grund historischer Aufzeichnungen als Überrest der Supernova aus dem Jahre 1054 identifiziert und nahm damit eine Schlüsselpositon bei der Interpretation dieses Phänomens ein.

Es gilt heute als sicher, daß Pulsare schnell rotierende Neutronensterne sind, die als Folge einer Supernova entstehen. Wenn hierbei der Zentralbereich des massereichen Sterns zu einem Neutronenstern kollabiert, bleiben Drehimpuls und wahrscheinlich auch magnetischer Fluß erhalten. Daher rotieren die nur etwa 20 km Durchmesser aufweisenden Körper sehr schnell und besitzen hohe Magnetfeldstärken. Die kritische Rotationsfrequenz, oberhalb derer die Fliehkräfte den Stern zerreißen würden, liegt bei etwa 0,001 s.

Der Strahlungsmechanismus scheint heute zumindest in Grundzügen verstanden zu sein. Demnach kann man sich das Magnetfeld als Dipol vorstellen. In diesem inhomogenen Feld werden elektrisch geladene Teilchen in den Weltraum beschleunigt, wobei sie Synchrotronstrahlung aussenden. Die Emission erfolgt dabei in einem parallel zur Magnetfeldachse liegenden Kegel mit typischerweise 10-15 Grad Öffnungswinkel. Wenn Magnetfeldachse und Rotationsachse schräg zueinander stehen, rotiert der Strahlungskegel mit dem Stern und streift wie der Strahl eines Leuchtturms durchs All. Trifft er hierbei auf die Erde, registriert man daher Strahlungspulse mit der Rotationsfrequenz des Pulsars.

Der Pulsar verliert Rotationsenergie, weil er magnetische Dipolstrahlung aussendet und die Teilchen mitschleppt und beschleunigt. Dadurch verringert sich die Rotationsfrequenz. Sie läßt sich als Abnahme der Pulsfrequenz nachweisen und liegt typischerweise zwischen 10-14 und 10-16. Das heißt, ein Pulsar mit einer Rotationsperiode von 1 s verdoppelt seine Periode nach einigen 106 bis 108 Jahren. Aus der Periodenabnahme und der aktuellen Periodendauer läßt sich das Alter eines Pulsars abschätzen. Theoretiker gehen heute davon aus, daß ein typischer Pulsar mit einer Periode von 0,01 s und einer Magnetfeldstärke von 109 T entsteht. Nach etwa 106 Jahren ist er so langsam und das Magnetfeld so schwach geworden, daß er nicht mehr nachweisbar ist.

Bei einigen Pulsaren wurden auch kurzzeitige Periodensprünge registriert, bei denen sich die Periode plötzlich geringfügig verkürzte. Danach erfolgte die Periodenzunahme mit derselben Rate wie zuvor. Diese sog. Glitches werden als eine Art Sternbeben interpretiert, bei dem sich die innere Struktur und damit das Trägheitsmoment verändert.

Überraschenderweise gibt es einige Pulsare mit schwachen Magnetfeldern um 105 T, die dementsprechend sehr alt sein sollten. Dem widerspricht jedoch die Tatsache, daß sie sehr kurze Perioden im Millisekundenbereich aufweisen. Man vermutet, daß diese Millisekundenpulsare tatsächlich alt sind. Sie befinden sich aber in einem Doppelsternsystem, dessen zweite Komponente so nahe am Pulsar ist, daß von ihm Materie zum Pulsar hinüberströmt. Wenn dieses Gas auf die Oberfläche hinunterstürzt, überträgt es Impuls und beschleunigt den Pulsar.

Besondere Bedeutung erhielt der Binärpulsar PSR1913+16. Er erwies sich als kosmisches Laboratorium für Effekte der Allgemeinen Relativitätstheorie.

Entdeckt wurden die Pulsare 1967 von dem britischen Radioastronom Anthony Hewish und seiner damaligen Mitarbeiterin Jocelyn Bell Burnell am Mullard Radio Astronomy Observatory der Universität Cambridge. Hewish erhielt hierfür 1974 den Nobelpreis für Physik.



Pulsare 1: Schema eines Pulsars, bei dem Rotationsachse und Magnetfeldachse um den Winkel α zueinander geneigt sind.



Pulsare 2: Der Krebs-Pulsar im Röntgenlicht, aufgenommen mit dem Röntgenteleskop ROSAT. Deutlich zu erkennen die An- und Aus-Phase des Pulsars.

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Markus Aspelmeyer, München [MA1] (A) (20)
Dr. Katja Bammel, Cagliari, I [KB2] (A) (13)
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Jochen Büttner, Berlin [JB] (A) (02)
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Dr. Angelika Fallert-Müller, Groß-Zimmern [AFM] (A) (16, 26)
Stephan Fichtner, Heidelberg [SF] (A) (31)
Dr. Thomas Filk, Freiburg [TF3] (A) (10, 15; Essay Perkolationstheorie)
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Dr. Thomas Fuhrmann, Mannheim [TF1] (A) (14)
Christian Fulda, Hannover [CF] (A) (07)
Dr. Harald Genz, Darmstadt [HG1] (A) (18)
Michael Gerding, Kühlungsborn [MG2] (A) (13)
Prof. Dr. Gerd Graßhoff, Bern [GG] (A) (02)
Andrea Greiner, Heidelberg [AG1] (A) (06)
Uwe Grigoleit, Weinheim [UG] (A) (13)
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Gunther Hadwich, München [GH] (A) (20)
Dr. Andreas Heilmann, Halle [AH1] (A) (20, 21)
Carsten Heinisch, Kaiserslautern [CH] (A) (03)
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Priv.-Doz. Dr. Claus Kiefer, Freiburg [CK] (A) (14, 15; Essay Quantengravitation)
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Dr. Ulrich Kilian, Heidelberg [UK] (A) (19)
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Dr. Achim Knoll, Karlsruhe [AK1] (A) (20)
Dr. Alexei Kojevnikov, College Park, USA [AK3] (A) (02)
Dr. Berndt Koslowski, Ulm [BK] (A) (Essay Ober- und Grenzflächenphysik)
Dr. Bernd Krause, München [BK1] (A) (19)
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Holger Mathiszik, Celle [HM3] (A) (29)
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Marita Milde, Dresden [MM2] (A) (12)
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Dr. Nikolaus Nestle, Leipzig [NN] (A, B) (05, 20; Essays Molekularstrahlepitaxie, Ober- und Grenzflächenphysik und Rastersondenmikroskopie)
Dr. Thomas Otto, Genf [TO] (A) (06)
Dr. Ulrich Parlitz, Göttingen [UP1] (A) (11)
Christof Pflumm, Karlsruhe [CP] (A) (06, 08)
Dr. Oliver Probst, Monterrey, Mexico [OP] (A) (30)
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Rolf vom Stein, Köln [RVS] (A) (29)
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Dr. Günther Beikert, Viernheim [GB1] (A) (04, 10, 25)
Prof. Dr. Hans Berckhemer, Frankfurt [HB1] (A, B) (29; Essay Seismologie)
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Prof. Dr. Helmut Bokemeyer, Darmstadt [HB2] (A, B) (18)
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Dr. Wolfgang Eisenberg, Leipzig [WE] (A) (15)
Dr. Frank Eisenhaber, Wien [FE] (A) (27)
Dr. Roger Erb, Kassel [RE1] (A) (33)
Dr. Angelika Fallert-Müller, Groß-Zimmern [AFM] (A) (16, 26)
Stephan Fichtner, Heidelberg [SF] (A) (31)
Dr. Thomas Filk, Freiburg [TF3] (A) (10, 15)
Natalie Fischer, Walldorf [NF] (A) (32)
Dr. Thomas Fuhrmann, Mannheim [TF1] (A) (14)
Christian Fulda, Hannover [CF] (A) (07)
Frank Gabler, Frankfurt [FG1] (A) (22)
Dr. Harald Genz, Darmstadt [HG1] (A) (18)
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Dr. Michael Gerding, Potsdam [MG2] (A) (13)
Andrea Greiner, Heidelberg [AG1] (A) (06)
Uwe Grigoleit, Weinheim [UG] (A) (13)
Gunther Hadwich, München [GH] (A) (20)
Dr. Andreas Heilmann, Halle [AH1] (A) (20, 21)
Carsten Heinisch, Kaiserslautern [CH] (A) (03)
Dr. Marc Hemberger, Heidelberg [MH2] (A) (19)
Dr. Sascha Hilgenfeldt, Cambridge, USA (A) (Essay Sonolumineszenz)
Dr. Hermann Hinsch, Heidelberg [HH2] (A) (22)
Priv.-Doz. Dr. Dieter Hoffmann, Berlin [DH2] (A, B) (02)
Dr. Gert Jacobi, Hamburg [GJ] (B) (09)
Renate Jerecic, Heidelberg [RJ] (A) (28)
Prof. Dr. Josef Kallrath, Ludwigshafen [JK] (A) (04)
Priv.-Doz. Dr. Claus Kiefer, Freiburg [CK] (A) (14, 15)
Richard Kilian, Wiesbaden [RK3] (22)
Dr. Ulrich Kilian, Heidelberg [UK] (A) (19)
Thomas Kluge, Jülich [TK] (A) (20)
Dr. Achim Knoll, Karlsruhe [AK1] (A) (20)
Dr. Alexei Kojevnikov, College Park, USA [AK3] (A) (02)
Dr. Bernd Krause, München [BK1] (A) (19)
Dr. Gero Kube, Mainz [GK] (A) (18)
Ralph Kühnle, Heidelberg [RK1] (A) (05)
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Dr. Andreas Markwitz, Lower Hutt, NZ [AM1] (A) (21)
Holger Mathiszik, Celle [HM3] (A) (29)
Dr. Dirk Metzger, Mannheim [DM] (A) (07)
Dr. Rudi Michalak, Dresden [RM1] (A) (23; Essay Tieftemperaturphysik)
Günter Milde, Dresden [GM1] (A) (12)
Helmut Milde, Dresden [HM1] (A) (09)
Marita Milde, Dresden [MM2] (A) (12)
Prof. Dr. Andreas Müller, Trier [AM2] (A) (33)
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Dr. Nikolaus Nestle, Leipzig [NN] (A, B) (05, 20)
Dr. Thomas Otto, Genf [TO] (A) (06)
Priv.-Doz. Dr. Ulrich Parlitz, Göttingen [UP1] (A) (11)
Christof Pflumm, Karlsruhe [CP] (A) (06, 08)
Dr. Oliver Probst, Monterrey, Mexico [OP] (A) (30)
Dr. Roland Andreas Puntigam, München [RAP] (A) (14)
Dr. Gunnar Radons, Mannheim [GR1] (A) (01, 02, 32)
Dr. Max Rauner, Weinheim [MR3] (A) (15)
Robert Raussendorf, München [RR1] (A) (19)
Ingrid Reiser, Manhattan, USA [IR] (A) (16)
Dr. Uwe Renner, Leipzig [UR] (A) (10)
Dr. Ursula Resch-Esser, Berlin [URE] (A) (21)
Dr. Peter Oliver Roll, Ingelheim [OR1] (A, B) (15)
Hans-Jörg Rutsch, Walldorf [HJR] (A) (29)
Rolf Sauermost, Waldkirch [RS1] (A) (02)
Matthias Schemmel, Berlin [MS4] (A) (02)
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