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Sternengeschichten 130-249, Folge 142: Pulsare – die Leuchttürme im Universum

Folge 142: Pulsare – die Leuchttürme im Universum

Folge 142: Pulsare – die Leuchttürme im Universum.

Sterne machen manchmal schon ziemlich komische Sachen. Besonders dann, wenn sie schon längst tot sind. Dann geben sie sich unter Umständen sogar als Außerirdische aus. Aber ich denke, ich fange besser am Anfang an. In der heutigen Folge der Sternengeschichten geht es um die Pulsare.

Recht oft gibt es in der Wissenschaft ja Vorhersagen zur Existenz bestimmter Phänomene, Teilchen oder anderer Objekte. Die versucht man dann zu bestätigen oder zu widerlegen. So oder so hat man zumindest schon ein gewisse Ahnung, mit was man es zu tun bekommt, bevor man sich auf die Suche macht. Pulsare aber gehören zu den Entdeckungen in der Wissenschaft, mit denen absolut niemand gerechnet hat.

Und als die junge Doktorandin Jocelyn Bell im Jahr 1967 das erste Mal auf sie gestoßen ist, war sie zuerst auch eher genervt davon. Sie beschäftigte sich mit dem damals noch sehr jungen Gebiet der Radioastronomie. Das steckte noch in den Kinderschuhen und Bell musste für ihre Arbeit auch erstmal ein eigenes Teleskop bauen. In dem Fall waren das jede Menge Antennen, die auf einer großen Fläche in Großbritannien aufgestellt werden mussten.

Damit wollte Bell dann Quasare erforschen. Über diese interessanten Objekte habe ich ja schon in Folge 52 der Sternengeschichten ausführlich gesprochen. Die hatte man in den 1950er Jahren bei den ersten Beobachtungen mit Radioteleskopen entdeckt und wusste lange nicht, um was es sich handelt. Heute weiß man, das es sich um die aktiven Zentren ferner Galaxien handelt, wo in der Umgebung riesiger schwarzer Löcher jede Menge Radiostrahlung erzeugt wird.

Damals waren Quasare aber noch nicht so gut erforscht und Bell wollte in ihrer Doktorarbeit ihren Beitrag dazu leisten. Heute kann man auch mit Radioteleskopen “Bilder” produzieren. Natürlich können wir Radiostrahlen nicht sehen, aber die Teleskope und Computer können die Intensität der Strahlung messen und sie entsprechend grafisch darstellen. Mit Computern war es in den 1960er Jahren aber noch nicht so weit her. Das, was die Teleskope von Bell aufzeichnete, wurde auf langen Papierstreifen ausgedruckt von denen jeden Tag etwa 30 Meter produziert wurden. Bell hatte also jede Menge zu tun um all das – natürlich per Hand – zu analysieren.

Bei so vielen Daten kann man leicht mal den Überblick verlieren, aber Bell war gründlich. Irgendwann fiel ihr auf, dass da irgendwas ungewöhnlich war. Ein bestimmter Punkt am Himmel schickte Radiostrahlung zur Erde, die seltsam und vor allem seltsam regelmäßig war. Exakt alle 1,3 Sekunden gab es einen Radiopuls. Nicht ungefähr alle 1,3 Sekunden sondern wirklich EXAKT alle 1,3 Sekunden.

Das kam überraschend. Erstmal ist es ungewöhnlich, irgendwo in der Astronomie wirklich exakt periodische Vorgänge zu finden. Die Planeten bewegen sich zum Beispiel annähernd regelmäßig um die Sonne, aber da gibt es durchaus messbare Schwankungen. In der Quantenmechanik können die Atome und Moleküle zwar zeitlich ziemlich exakt schwingen, aber Bell beobachtete ja den Himmel. Und wenn tatsächlich ein Stern für dieses Signal verantwortlich wäre, dann wäre das noch seltsamer, denn ein Stern ist groß und große Objekte können sich nicht so schnell verändern, um alle 1,3 Sekunden zu pulsieren.

Die erste Vermutung war also, dass es sich um irgendeine künstliche Störquelle von der Erde handeln muss. Radiostrahlung wird ja immerhin auch von uns Menschen produziert. Aber es zeigte sich schnell, dass das Signal nicht von der Erde stammen kann. So etwas kann man überprüfen, in dem man zum Beispiel nachsieht, wie es sich verändert, während die Erde sich um ihre Achse dreht bzw. im Laufe der Zeit um die Sonne bewegt. Das mysteriöse Radiosignal war von der Bewegung der Erde gar nicht beeindruckt sondern kam immer von exakt der gleichen Stelle des Himmels – was darauf hindeutet, dass es nicht nur von außerhalb unseres Planeten kommen muss, sondern von außerhalb unseres Sonnensystems.

Langsam wurde die Sache wirklich merkwürdig. Da war ein Signal, das irgendwo aus der Milchstraße kam. Ein Radiosignal. Das sich exakt alle 1,3 Sekunden wiederholt. Nicht ganz ernst gemeint, aber auch nicht völlig als Scherz gemeint gaben Bell und ihre Kollegen dieser Radioquelle den Namen “LGM-1” wobei das “LGM” für “Little Green Men” stand, als “Kleines Grünes Männchen”.

Aber auch das konnte man bald ausschließen. Denn wenn, dann würden die Aliens ja nicht auf dem Stern selbst leben, sondern einem Planeten der diesen Stern umkreist. Der würde mit seiner Gravitationskraft den Stern dann ein klein wenig zum Wackeln bringen. Dadurch würde sich auch der Abstand zwischen dem Stern und der Erde geringfügig ändern und die Radiosignale müssten mal ein klein wenig zu früh und mal ein klein wenig zu spät kommen. So einen Effekt hat man aber nicht gemessen; Planeten konnte es da also nicht geben.

Und als Bell weiter mit ihrem Radioteleskop beobachtete, fand sie noch drei weitere dieser komischen pulsierenden Radioquellen. Alle ganz woanders am Himmel und es wäre schon sehr seltsam, wenn da auf einmal Aliens aus allen Richtungen gleichzeitig Signale zur Erde schicken würden…

Als die Beobachtungen dann schließlich veröffentlicht wurden und immer mehr Wissenschaftler sich Gedanken darüber machten, fand man aber auch bald eine vernünftige Erklärung für das Phänomen. Schon in den 1930er Jahren hatten sich Astronomen überlegt, was passieren würde, wenn einem Stern irgendwann der Brennstoff ausgeht. Wie ich in den Sternengeschichten ja schon sehr oft erklärt habe, sind es vor allem zwei Kräfte, die das Leben eines Sterns bestimmen. Die Gravitationskraft, die er durch seine eigene Masse erzeugt und unter der er immer weiter kollabieren will. Ein Stern erzeugt in seinem Inneren aber auch Energie durch Kernfusion die dann als Strahlung nach außen dringt und dabei auch nach außen gegen die Materie drückt.

Solange die Fusion noch stattfindet, halten sich beide Kräfte die Waage und der Stern ist stabil. Geht ihm aber der Brennstoff aus, dann fällt der Strahlungsdruck weg. Der Stern kollabiert nun unter seinem eigenen Gewicht. Was am Ende so eines Sternenlebens im Detail passiert, habe ich in anderen Sterngeschichten schon besprochen (zum Beispiel in Folgen 14, 40 oder 119). Aber ist der Stern massereich genug, dann endet der Kollaps so wuchtig, dass es eine große Explosion gibt; eine Supernova bei der große Teile des Sterns ins All hinaus geschleudert werden. Ein Teil bleibt aber auch übrig und der ist unter seinem eigenen Gewicht so weit zusammengefallen, das er mit normaler Materie kaum noch etwas zu tun hat.

Ist der Stern wirklich schwer, kollabiert er immer weiter, bis ein schwarzes Loch entsteht. Ist er nicht ganz so schwer, dann wird aus ihm nur ein weißer Zwerg, also ein Himmelskörper der so groß wie die Erde aber so schwer wie die Sonne ist. Dazwischen liegt der Zustand, der uns heute interessieren soll. Hier entsteht etwas, das man Neutronenstern nennt. Die sind nur etwa 20 Kilometer groß, haben aber eine Masse die zwischen dem 1,4 und dem 3fachen der Sonnenmasse liegt!

Die Materie eines Neutronensterns ist so dicht gepackt, das es kaum dichter geht. Die Elektronen, die sich normalerweise außen in der Hülle eines Atoms und weit entfernt von dessen Kern befindet, werden hier regelrecht in den Atomkern gequetscht und die so entstehenden Neutronen sind maximal dicht zusammengedrückt. Ein Stück dieser Materie, das nur so groß wie ein Zuckerwürfel ist, wäre ungefähr so schwer wie 1 Milliarde Autos!

Wenn man Materie so enorm komprimiert, passieren jede Menge Dinge. Zum Beispiel erhöht sich aufgrund der Drehimpulserhaltung die Rotation des Sterns. Genau so wie sich ein Eiskunstläufer schneller dreht, wenn er die Arme dicht an den Körper zieht wird auch ein Stern schneller, der zu einem Neutronenstern kollabiert und immer kleiner wird. Wo ein normaler Stern viele Tage oder Wochen für eine Umdrehung um seine Achse braucht, können sich Neutronensterne bis zu ein paar Tausend mal pro Sekunde herum drehen.

Der Kollaps verstärkt auch das Magnetfeld des Sterns; es wird ebenso komprimiert wie der Stern selbst und kann dramatisch viel stärker sein als bei einem normalen Stern. Und schließlich ist ein Neutronenstern oft nicht völlig allein im Universum sondern noch von einer Wolke aus Gas umgeben, die vom Tod des ursprünglichen Sterns übrig ist.

Und wenn all diese Faktoren auf die richtige Art und Weise zusammenwirken, kann ein Pulsar entstehen. Wenn die Ausrichtung des Magnetfeldes nicht mit der Ausrichtung der Rotationsachse des Neutronensterns übereinstimmt, dann bewegen sich die Feldlinien sehr schnell durch den Gasnebel hindurch. Dabei reißen sie Teilchen aus dem Nebel mit sich und können sie stark beschleunigen. Die Teilchen geben dabei Strahlung ab die, sich wie der Lichtkegel eines Leuchtturms um den Neutronenstern herum bewegt. Wenn die Erde nun genau im “Licht” des Strahlungskegels liegt, dann kommt bei uns bei jeder Umdrehung des Neutronensterns ein Signal an.

Wir sehen einen Pulsar, der extrem regelmäßige Radiosignale abgibt. Mittlerweile haben die Astronomen schon viele dieser Objekte gefunden und viel daraus gelernt. Man hat dort Hinweise auf Gravitationswellen entdeckt und so eine wichtige Vorhersage der Relativitätstheorie bestätigt, wie ich in Folge 136 erzählt habe. Man hat mittlerweile auch tatsächlich Planeten entdeckt, die Pulsare umkreisen – Leben ist dort allerdings nicht möglich und es ist fraglich, ob diese seltsamen Objekte tatsächlich als echte Planeten bezeichnet werden können.

Pulsare sind zwar “nur” tote Sterne und keine Leuchtfeuer außerirdischer Zivilisationen. Aber sie sind kaum weniger faszinierend und wir werden in Zukunft sicher noch sehr viel von ihnen über das Universum hören. Und ich werde sicherlich auch noch die eine oder andere Sternengeschichte über sie erzählen.

Folge 142: Pulsare – die Leuchttürme im Universum

Folge 142: Pulsare – die Leuchttürme im Universum.

Sterne machen manchmal schon ziemlich komische Sachen. Besonders dann, wenn sie schon längst tot sind. Dann geben sie sich unter Umständen sogar als Außerirdische aus. Aber ich denke, ich fange besser am Anfang an. In der heutigen Folge der Sternengeschichten geht es um die Pulsare.

Recht oft gibt es in der Wissenschaft ja Vorhersagen zur Existenz bestimmter Phänomene, Teilchen oder anderer Objekte. Die versucht man dann zu bestätigen oder zu widerlegen. So oder so hat man zumindest schon ein gewisse Ahnung, mit was man es zu tun bekommt, bevor man sich auf die Suche macht. Pulsare aber gehören zu den Entdeckungen in der Wissenschaft, mit denen absolut niemand gerechnet hat.

Und als die junge Doktorandin Jocelyn Bell im Jahr 1967 das erste Mal auf sie gestoßen ist, war sie zuerst auch eher genervt davon. Sie beschäftigte sich mit dem damals noch sehr jungen Gebiet der Radioastronomie. Das steckte noch in den Kinderschuhen und Bell musste für ihre Arbeit auch erstmal ein eigenes Teleskop bauen. In dem Fall waren das jede Menge Antennen, die auf einer großen Fläche in Großbritannien aufgestellt werden mussten.

Damit wollte Bell dann Quasare erforschen. Über diese interessanten Objekte habe ich ja schon in Folge 52 der Sternengeschichten ausführlich gesprochen. Die hatte man in den 1950er Jahren bei den ersten Beobachtungen mit Radioteleskopen entdeckt und wusste lange nicht, um was es sich handelt. Heute weiß man, das es sich um die aktiven Zentren ferner Galaxien handelt, wo in der Umgebung riesiger schwarzer Löcher jede Menge Radiostrahlung erzeugt wird.

Damals waren Quasare aber noch nicht so gut erforscht und Bell wollte in ihrer Doktorarbeit ihren Beitrag dazu leisten. Heute kann man auch mit Radioteleskopen “Bilder” produzieren. Natürlich können wir Radiostrahlen nicht sehen, aber die Teleskope und Computer können die Intensität der Strahlung messen und sie entsprechend grafisch darstellen. Mit Computern war es in den 1960er Jahren aber noch nicht so weit her. Das, was die Teleskope von Bell aufzeichnete, wurde auf langen Papierstreifen ausgedruckt von denen jeden Tag etwa 30 Meter produziert wurden. Bell hatte also jede Menge zu tun um all das – natürlich per Hand – zu analysieren.

Bei so vielen Daten kann man leicht mal den Überblick verlieren, aber Bell war gründlich. Irgendwann fiel ihr auf, dass da irgendwas ungewöhnlich war. Ein bestimmter Punkt am Himmel schickte Radiostrahlung zur Erde, die seltsam und vor allem seltsam regelmäßig war. Exakt alle 1,3 Sekunden gab es einen Radiopuls. Nicht ungefähr alle 1,3 Sekunden sondern wirklich EXAKT alle 1,3 Sekunden.

Das kam überraschend. Erstmal ist es ungewöhnlich, irgendwo in der Astronomie wirklich exakt periodische Vorgänge zu finden. Die Planeten bewegen sich zum Beispiel annähernd regelmäßig um die Sonne, aber da gibt es durchaus messbare Schwankungen. In der Quantenmechanik können die Atome und Moleküle zwar zeitlich ziemlich exakt schwingen, aber Bell beobachtete ja den Himmel. Und wenn tatsächlich ein Stern für dieses Signal verantwortlich wäre, dann wäre das noch seltsamer, denn ein Stern ist groß und große Objekte können sich nicht so schnell verändern, um alle 1,3 Sekunden zu pulsieren.

Die erste Vermutung war also, dass es sich um irgendeine künstliche Störquelle von der Erde handeln muss. Radiostrahlung wird ja immerhin auch von uns Menschen produziert. Aber es zeigte sich schnell, dass das Signal nicht von der Erde stammen kann. So etwas kann man überprüfen, in dem man zum Beispiel nachsieht, wie es sich verändert, während die Erde sich um ihre Achse dreht bzw. im Laufe der Zeit um die Sonne bewegt. Das mysteriöse Radiosignal war von der Bewegung der Erde gar nicht beeindruckt sondern kam immer von exakt der gleichen Stelle des Himmels – was darauf hindeutet, dass es nicht nur von außerhalb unseres Planeten kommen muss, sondern von außerhalb unseres Sonnensystems.

Langsam wurde die Sache wirklich merkwürdig. Da war ein Signal, das irgendwo aus der Milchstraße kam. Ein Radiosignal. Das sich exakt alle 1,3 Sekunden wiederholt. Nicht ganz ernst gemeint, aber auch nicht völlig als Scherz gemeint gaben Bell und ihre Kollegen dieser Radioquelle den Namen “LGM-1” wobei das “LGM” für “Little Green Men” stand, als “Kleines Grünes Männchen”.

Aber auch das konnte man bald ausschließen. Denn wenn, dann würden die Aliens ja nicht auf dem Stern selbst leben, sondern einem Planeten der diesen Stern umkreist. Der würde mit seiner Gravitationskraft den Stern dann ein klein wenig zum Wackeln bringen. Dadurch würde sich auch der Abstand zwischen dem Stern und der Erde geringfügig ändern und die Radiosignale müssten mal ein klein wenig zu früh und mal ein klein wenig zu spät kommen. So einen Effekt hat man aber nicht gemessen; Planeten konnte es da also nicht geben.

Und als Bell weiter mit ihrem Radioteleskop beobachtete, fand sie noch drei weitere dieser komischen pulsierenden Radioquellen. Alle ganz woanders am Himmel und es wäre schon sehr seltsam, wenn da auf einmal Aliens aus allen Richtungen gleichzeitig Signale zur Erde schicken würden…

Als die Beobachtungen dann schließlich veröffentlicht wurden und immer mehr Wissenschaftler sich Gedanken darüber machten, fand man aber auch bald eine vernünftige Erklärung für das Phänomen. Schon in den 1930er Jahren hatten sich Astronomen überlegt, was passieren würde, wenn einem Stern irgendwann der Brennstoff ausgeht. Wie ich in den Sternengeschichten ja schon sehr oft erklärt habe, sind es vor allem zwei Kräfte, die das Leben eines Sterns bestimmen. Die Gravitationskraft, die er durch seine eigene Masse erzeugt und unter der er immer weiter kollabieren will. Ein Stern erzeugt in seinem Inneren aber auch Energie durch Kernfusion die dann als Strahlung nach außen dringt und dabei auch nach außen gegen die Materie drückt.

Solange die Fusion noch stattfindet, halten sich beide Kräfte die Waage und der Stern ist stabil. Geht ihm aber der Brennstoff aus, dann fällt der Strahlungsdruck weg. Der Stern kollabiert nun unter seinem eigenen Gewicht. Was am Ende so eines Sternenlebens im Detail passiert, habe ich in anderen Sterngeschichten schon besprochen (zum Beispiel in Folgen 14, 40 oder 119). Aber ist der Stern massereich genug, dann endet der Kollaps so wuchtig, dass es eine große Explosion gibt; eine Supernova bei der große Teile des Sterns ins All hinaus geschleudert werden. Ein Teil bleibt aber auch übrig und der ist unter seinem eigenen Gewicht so weit zusammengefallen, das er mit normaler Materie kaum noch etwas zu tun hat.

Ist der Stern wirklich schwer, kollabiert er immer weiter, bis ein schwarzes Loch entsteht. Ist er nicht ganz so schwer, dann wird aus ihm nur ein weißer Zwerg, also ein Himmelskörper der so groß wie die Erde aber so schwer wie die Sonne ist. Dazwischen liegt der Zustand, der uns heute interessieren soll. Hier entsteht etwas, das man Neutronenstern nennt. Die sind nur etwa 20 Kilometer groß, haben aber eine Masse die zwischen dem 1,4 und dem 3fachen der Sonnenmasse liegt!

Die Materie eines Neutronensterns ist so dicht gepackt, das es kaum dichter geht. Die Elektronen, die sich normalerweise außen in der Hülle eines Atoms und weit entfernt von dessen Kern befindet, werden hier regelrecht in den Atomkern gequetscht und die so entstehenden Neutronen sind maximal dicht zusammengedrückt. Ein Stück dieser Materie, das nur so groß wie ein Zuckerwürfel ist, wäre ungefähr so schwer wie 1 Milliarde Autos!

Wenn man Materie so enorm komprimiert, passieren jede Menge Dinge. Zum Beispiel erhöht sich aufgrund der Drehimpulserhaltung die Rotation des Sterns. Genau so wie sich ein Eiskunstläufer schneller dreht, wenn er die Arme dicht an den Körper zieht wird auch ein Stern schneller, der zu einem Neutronenstern kollabiert und immer kleiner wird. Wo ein normaler Stern viele Tage oder Wochen für eine Umdrehung um seine Achse braucht, können sich Neutronensterne bis zu ein paar Tausend mal pro Sekunde herum drehen.

Der Kollaps verstärkt auch das Magnetfeld des Sterns; es wird ebenso komprimiert wie der Stern selbst und kann dramatisch viel stärker sein als bei einem normalen Stern. Und schließlich ist ein Neutronenstern oft nicht völlig allein im Universum sondern noch von einer Wolke aus Gas umgeben, die vom Tod des ursprünglichen Sterns übrig ist.

Und wenn all diese Faktoren auf die richtige Art und Weise zusammenwirken, kann ein Pulsar entstehen. Wenn die Ausrichtung des Magnetfeldes nicht mit der Ausrichtung der Rotationsachse des Neutronensterns übereinstimmt, dann bewegen sich die Feldlinien sehr schnell durch den Gasnebel hindurch. Dabei reißen sie Teilchen aus dem Nebel mit sich und können sie stark beschleunigen. Die Teilchen geben dabei Strahlung ab die, sich wie der Lichtkegel eines Leuchtturms um den Neutronenstern herum bewegt. Wenn die Erde nun genau im “Licht” des Strahlungskegels liegt, dann kommt bei uns bei jeder Umdrehung des Neutronensterns ein Signal an.

Wir sehen einen Pulsar, der extrem regelmäßige Radiosignale abgibt. Mittlerweile haben die Astronomen schon viele dieser Objekte gefunden und viel daraus gelernt. Man hat dort Hinweise auf Gravitationswellen entdeckt und so eine wichtige Vorhersage der Relativitätstheorie bestätigt, wie ich in Folge 136 erzählt habe. Man hat mittlerweile auch tatsächlich Planeten entdeckt, die Pulsare umkreisen – Leben ist dort allerdings nicht möglich und es ist fraglich, ob diese seltsamen Objekte tatsächlich als echte Planeten bezeichnet werden können.

Pulsare sind zwar “nur” tote Sterne und keine Leuchtfeuer außerirdischer Zivilisationen. Aber sie sind kaum weniger faszinierend und wir werden in Zukunft sicher noch sehr viel von ihnen über das Universum hören. Und ich werde sicherlich auch noch die eine oder andere Sternengeschichte über sie erzählen.