Pulsare als kosmische Atomuhren

Die Korrektur von Rotationsinstabilitäten macht Pulsare zu den besten Zeitmessern im Universum

Schematische Darstellung eines Pulsars
Schematische Darstellung eines Pulsars

Garching - Pulsare sind Überreste sehr massereicher Sterne, die am Ende ihrer Lebenszeit als Supernova explodiert sind. Zurück blieb nur ihr Kern, in dem die Materie sehr dicht gepackt ist: In diesem sogenannten Neutronenstern sind auf einem Durchmesser von etwa 20 Kilometern einige Sonnenmassen gedrängt. Ist er zusätzlich noch hochmagnetisiert und rotiert sehr schnell, sendet er entlang seiner magnetischen Achse gerichtete elektromagnetische Strahlung aus und wird als Pulsar bezeichnet. Überstreicht der Strahlungskegel, vergleichbar mit dem Lichtkegel eines Leuchturmes, die Erde, scheint der Stern kurz aufzublitzen - zu "pulsieren".

Pulsare besitzen eine hohe Rotationsstabilität, das heißt, sie halten die Dauer einer Drehung um ihre Achse mit extremer Genauigkeit ein, weswegen sie den Forschern als kosmische Uhren dienen. Beobachtet werden ihre periodischen Signale vor allem mit Radioteleskopen wie dem Lovell-Teleskop im englischen Jodrell-Bank-Observatorium.

Allerdings stellte sich heraus, dass die Rotationsstabilität der Pulsare nicht perfekt ist. Mit der Zeit verlieren Pulsare nämlich durch das Aussenden von hochenergetischen Teilchen und elektromagnetischen Strahlen Rotationsenergie. Die Abnahme der Umlaufgeschwindigkeit vollzieht sich zwar sehr langsam, aber leider unregelmäßig. So war es den Astronomen bisher nicht möglich die Abweichung von der erwarteten Periodendauer, also den Gangunterschied der kosmischen Uhr, zu korrigieren. Sehr kleine Irregularitäten in der Umlaufperiode erlauben aber keine hochpräzisen Tests, wie sie zum Beispiel für den direkten Nachweis von Gravitationswellen nötig wären.

Ein internationales Forscherteam unter der Leitung von Andrew Lyne von der University of Manchester hat nun erstmals Langzeitbeobachtungen von Pulsaren über mehr als 40 Jahre systematisch im Hinblick auf diese Abweichungen untersucht. Sie stellten zum, dass die Irregularitäten nahezu periodische Strukturen mit Zeitskalen von einigen Jahren zeigen. Des Weiteren sind die Abweichungen durch Variationen der Magnetosphäre des Pulsars bedingt und gehen mit Änderungen der Signalform einher.

Beobachtet wurden zwei Raten der Verlangsamung, zwischen denen die Pulsare ziemlich abrupt und unvorhersehbar hin- und herwechseln. "Diese Wechsel stehen im Zusammenhang mit der Form der Pulse, die der Pulsar aussendet", sagt George Hobbs von der Australia Telescope National Facility. Präzise Messungen der Pulsform über eine möglichst lange Zeitspanne erlauben es den Astronomen, die Abnahme der Pulsperiode extrem genau zu bestimmen und daraus einen Korrekturfaktor für den jeweiligen Pulsar abzuleiten. Damit wird die Ganggenauigkeit der Pulsaruhren erheblich gesteigert.

Die Forscher hoffen, dass die neuen Erkenntnisse über die Verlangsamung der Pulsperiode von Pulsaren die Wahrscheinlichkeit erhöht, mithilfe der am schnellsten rotierenden Neutronensterne endlich die ersten Gravitationswellen direkt in der Struktur der Raumzeit nachzuweisen. "Weltweit haben schon viele Observatorien versucht, über Pulsare diejenigen Gravitationswellen nachzuweisen, die bei der Bildung von supermassereichen Schwarzen Löchern im Universum ausgesandt werden", sagt Teammitglied Ingrid Stairs von der University of British Columbia. "Mit unserer neuen Technik sollten wir in der Lage sein, die Signale von Gravitationswellen zu erfassen, die sich im Moment noch in den Unregelmäßigkeiten des Pulsarsignals verbergen."