Alte Pulsare haben immer noch neue Tricks auf Lager

XMM - graphische Darstellung der Magnetosphäre eines Pulsars
10 August 2006

Extrem genaue Aufnahmen des ESA-Teleskops XMM-Newton, das vom ESOC-Kontrollzentrum in Darmstadt gesteuert wird, haben bewiesen, dass die bisher angenommene Theorie, nach der „Sternenleichen“ (stellar corpses), bekannt als Pulsare, Röntgenstrahlen erzeugen, korrigiert werden muss. Speziell die Energie, die benötigt wird, um die tausend Grad heißen Punkte, die auf abkühlenden Neutronensternen beobachtet werden können, zu erzeugen, kommt hauptsächlich aus dem Inneren der Pulsare, und nicht von außen.

Die beiden Cambridge-Astronomen Jocelyn Bell-Burnell und Anthony Hewish haben vor 39 Jahren die ersten Pulsare entdeckt. Diese Himmelskörper bestehen aus einem Teil der Materie des ursprünglichen Sterns (etwa 1,4 Sonnenmassen). Es handelt sich dabei um stark magnetisierte, rotierende Überreste toter Sterne mit einem Durchmesser von etwa 20 Kilometern. Noch heute verwundern sie Astronomen auf der ganzen Welt.

“Die Theorie, nach der Pulsare Strahlung absondern, steckt noch in den Kinderschuhen, auch nach fast 40 Jahren Forschung“, sagt Werner Becker vom Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik in Garching. Es existieren viele Vermutungen, aber keine anerkannte Theorie. Nun aber, dank XMM-Newton (X-Ray Multimirror Mission), könnten Becker and seine Kollegen entscheidende Erkenntnisse erlangt haben, die es den Theoretikern ermöglicht, zu erklären, warum abkühlende Neutronensterne heiße Stellen in der Nähe ihrer Pole aufweisen.

Neutronensterne bilden sich unter extremen Hitzebedingungen von einigen Milliarden Grad während der Explosion eines Sterns. Gleich nach der Entstehung beginnen sie, abzukühlen. Wie weit die Temperatur sinkt, hängt von den Dichteverhältnissen im Innern des Pulsars ab.

Beobachtungen mit vorherigen Röntgensatelliten haben gezeigt, dass die Strahlungen von abkühlenden Neutronensternen von drei Bereichen des Pulsars ausgehen. Zum einen ist die gesamte Oberfläche so heiß, dass sie Röntgenstrahlen aussendet. Außerdem befinden sich im Magnetfeld des Pulsars geladene Partikel, die ebenfalls Röntgenstrahlen aussenden, wenn sie außerhalb des Körpers, entlang der Magnetfeldlinie, wandern. Nach neuesten Erkenntnissen weisen jüngere Pulsare nun auch direkt an ihren Polen Röntgenstrahlen auf.

Bis jetzt glaubten Astronomen, dass Hotspots entstehen, wenn geladene Teilchen mit der Oberfläche des Pulsars an den Polen kollidieren. Die neuesten Ergebnisse von XMM-Newton haben diese Ansicht jedoch in Zweifel gezogen.

XMM-Pulsar PSR B1929+10 gesehen von XMM-Newton

Der vom Europäischen Satellitenkontrollzentrum ESA/ ESOC in Darmstadt gesteuerte XMM-Newton lieferte detaillierte Bilder der Röntgenstrahlungen von fünf Pulsaren, von denen jeder mehrere Millionen Jahre alt war. „Kein anderer Röntgenstrahlsatellit kann derartige Aufnahmen machen. Nur XMM-Newton ist in der Lage, Details von der Röntgenstrahlung einzufangen“, sagt Becker. Er und seine Mitarbeiter fanden weder einen Beleg für Oberflächenstrahlung noch für polare Hotspots, obwohl sie Strahlung von den sich außerhalb des Pulsars bewegenden Teilchen beobachten konnten.

Das Fehlen von polaren Hotspots ist eine große Überraschung

Dass keine Oberflächenstrahlung vorhanden ist, ist nichts Neues. In den vielen Millionen Jahren seit ihrer Entstehung sind die Pulsare von Millionen Grad Celsius auf weniger als 500 000 Grad abgekühlt. Damit einhergehend ist auch ihre Oberflächenstrahlung abgeklungen.

Das Fehlen von polaren Hotspots ist jedoch eine große Überraschung und zeigt, dass die Erwärmung der Oberfläche im Bereich der Pole durch den Teilchenbeschuss nicht ausreicht, um eine wahrnehmbare thermische Röntgenstrahlung zu erzeugen. „Im Fall des drei Millionen Jahre alten Pulsars PSR B1929+10 macht der Anteil sämtlicher erwärmten Polarregionen weniger als sieben Prozent des gesamten gemessenen Röntgenflusses aus“, sagt Becker.

Es scheint, dass die bisherige Ansicht nicht die einzige Interpretation des Problems ist. Eine alternative Theorie lautet, dass die bei der Entstehung des Pulsars erzeugte Wärme eingeschlossen wird und vom starken Magnetfeld innerhalb des Pulsars zu den Polen geleitet wird. Dies geschieht, weil Wärme von Elektronen transportiert wird, die aufgrund ihrer elektrischen Ladung vom Magnetischen Feld geleitet werden.

Das bedeutet, dass polare Hotspots jüngerer Pulsare vornehmlich durch Hitze innerhalb des Pulsars entstehen, statt durch die Kollision von Partikeln im Äußeren des Pulsars. Daher werden sie mit der Zeit ebenso nachlassen, wie die Oberflächenstrahlung. „Diese Ansicht ist immer noch heiß diskutiert, wird allerdings von den neuesten Beobachtungen des XMM-Newton-Teleskops bestätigt“, sagt Becker.

Fast vierzig Jahre nach der Entdeckung von Pulsaren scheint es, dass alte Pulsare immer noch neue Tricks auf Lager haben.

Kontakte für weitere Fragen:

Dr. Werner Becker, Max-Planck Institut für extraterrestrische Physik und Universität München
Email: web @ mpe.mpg.de
Dr. Norbert Schartel, ESA XMM-Newton Project Scientist
Email: norbert.schartel @ sciops.esa.int

Hinweise in der wissenschaftlichen Literatur:

'A Multiwavelength study of the Pulsar PSR B1929+10 and its X-ray trail' von Werner Becker et al., im The Astrophysical Journal am 10. Juli 2006 (vol. 645, pp 1421).

Vorherige Papers im Rahmen der Studie waren:

'Revealing the X-Ray Emission Processes of Old Rotation-powered Pulsars':
XMM-Newton Observations of PSR B0950+08, PSR B0823+26, and PSR J2043+2740', von Becker, et al., 2004 (ApJ, 615, 908),
'A Multiwavelength Study of PSR B0628-28: The First Overluminous Rotation-powered Pulsar?', von Becker, et al., 2005, (ApJ, 633, 367).

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