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Radioastronomie : Einstein bringt Pulsar zum Taumeln

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Der rotierende Neutronensterns PSR J1906+0746 (hier in einer Illustration) sendet Radiopulse - ähnlich wie ein Leuchtturm – in Form von zwei rotierenden Kegeln aus. Ein relativistischer Effekt beeinflusst die Rotationsachse (blauer Pfeil) des Pulsars. Bild: Gregory Desvignes & Michael Kramer, MPIfR

Die Radiopulse des Neutronensterns PSR J1906+0746 werden in einigen Jahren vorübergehend nicht mehr zu beobachten sein. Der Grund für das seltsame Flackern ist ein besonderer relativistischer Effekt.

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          Eine internationale Gruppe von Radioastronomen hat einen vor 50 Jahren vorhergesagten Effekt der Allgemeinen Relativitätstheorie bei einem schnell rotierenden Neutronenstern – einem sogenannten Pulsar – nachweisen können. Die Forscher beobachteten über viele Jahre hinweg die Radiostrahlung des in Richtung des Sternbilds Adler gelegenen Pulsars PSR J1906+0746 und stellten fest, dass diese sich im Laufe der Zeit exakt so verändert, wie es Einsteins Feldgleichungen voraussagen. „PSR J1906+0746 stellt ein einzigartiges Laboratorium für uns dar, in dem wir gleichzeitig die Physik der Radiostrahlung des Pulsars untersuchen und Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie testen können“, erklärt Gregory Desvignes vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn. Desvignes ist Erstautor der in der Zeitschrift „Science“ (doi: 10.1126/science.aav7272) erschienenen Studie.

          Pulsare sind extrem kompakte Objekte und häufig Teil eines Doppelsternsystems. PSR J1906+0746 und sein Partner – ebenfalls ein Neutronenstern – sind jeweils 1,3 Mal so massereich wie die Sonne, gleichzeitig aber kaum mehr als 20 Kilometer groß. Sie entstanden, als zwei massereiche Sterne als Supernovae explodierten. Wegen ihrer geringen Größe sind Pulsare mit optischen Teleskopen jedoch schwer auszumachen. Die Entdeckung von PSR J1906+0746 gelang im Jahr 2004 mit Hilfe eines Radioteleskops, das die Radiostrahlung registrierte, die von geladenen Teilchen im Magnetfeld des Sterns erzeugt wird. Das Magnetfeld wurde bei der Entstehung des Neutronensterns komprimiert und verstärkt. Es beschleunigt nun geladene Partikel, etwa Elektronen, auf hohe Energie, besonders an den gegenüberliegenden magnetischen Polen. Dabei entstehen Radiowellen, die in zwei gegenläufigen Strahlen – einer vom magnetischen Nordpol einer vom Südpol aus – ins All gesendet werden. Weil die Achse des Magnetfelds nicht mit der Drehachse des Sterns übereinstimmt, erfolgt die Abstrahlung – ähnlich wie bei einem Leuchtturm – in Form von zwei rotierenden Kegeln. Überstreicht einer dieser Strahlen die Erde, lässt sich die Strahlung als gepulstes Radiosignal empfangen – der Neutronenstern tritt als „Pulsar“ in Erscheinung.

          Die Wissenschaftler um Desvignes verfolgten die Radiopulse von PSR J1906+0746 zwischen den Jahren 2012 und 2018 mit dem 300 Meter großen Arecibo-Radioteleskop auf der Karibikinsel Puerto Rico bei einer Frequenz von 1,4 Gigahertz.

          Das Arecibo-Radioteleskop auf Puerto Rico

          Zusätzlich griffen sie auf Archivdaten aus den Jahren 2005 bis 2009 zurück. Dabei fanden sie heraus, dass es anfangs noch möglich war, Strahlung von beiden entgegengesetzten magnetischen Polen des Pulsars zu erfassen: Bis Ende 2016 zeigten sowohl der nördliche als auch der südliche Strahlungskegel des Neutronensterns pro Umdrehung einmal in Richtung Erde. Die Rotationsrate betrug nur 144 Millisekunden – nicht ungewöhnlich für ein derart kompaktes Objekt. Von 2017 an konnte der nördliche Strahlungskegel nicht mehr beobachtet werden, sondern nur noch der südliche.

          Eine Quelle für Gravitationswellen

          Die Forscher um Desvignes machen dafür den gleich schweren Begleiter von PSR J1906+0746 verantwortlich. Dieser verrät sich zwar nicht durch Radiopulse, seine Schwerkraft lässt die Rotationsachse des Pulsars aber taumeln wie die Drehachse eines Kinderkreisels. Eine solche Präzessionsbewegung kennt man auch von der Erde. Während der Zyklus der irdischen Präzession rund 25.800 Jahre dauert, taumelt die Achse von PSR J1906+0746 in nur 160 Jahren. Das entspricht genau der Vorhersage der Allgemeinen Relativitätstheorie, auf Basis von deren Feldgleichungen der nun beobachtete Taumeleffekt im Jahr 1969 vorhergesagt wurde. Aufgrund ihrer Beobachtungen schätzen Desvignes und seine Kollegen, dass der nördliche Strahlungspuls zwischen den Jahren 2085 und 2105 wieder sichtbar sein wird, während sein südlicher Gegenpart im Jahr 2028 verschwinden und 2070 wieder erscheinen sollte.

          Es bleibt aber zukünftigen Radioastronomen vorbehalten, diese Voraussagen zu überprüfen. Doch schon jetzt ermöglicht PSR J1906+0746 weitere Tests der Relativitätstheorie: Beide Neutronensterne umkreisen einander in nur vier Stunden, sind sich also sehr nahe. Dabei verlieren sie beständig Energie, die in Form von Gravitationswellen abgestrahlt wird. Das wird letztlich dazu führen, dass die beiden Neutronensterne in fernerer Zukunft zu einem einzigen Objekt verschmelzen werden.

          Solche Ereignisse können seit einigen Jahren auf der Erde mit Gravitationswellendetektoren wie Ligo gemessen werden. Desvignes und seinen Kollegen ist zudem gelungen, die Ausdehnung des Radiostrahls genau zu vermessen und damit den von ihm ausgeleuchteten Teil des Himmels zu berechnen. Andere Forschergruppen können nun anhand dieser Resultate die Anzahl aller Doppel-Neutronensterne in der Milchstraße abschätzen und damit vorausberechnen, wie häufig die Betreiber der irdischen Gravitationswellendetektoren mit einer Verschmelzung von Neutronensternen rechnen können.

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