Facharbeit aus dem Fach Physik Thema : Pulsare und ihre

"Thomas Sporrer" <[email protected]>
Gymnasium Eschenbach
Kollegstufenjahrgang
1997/99
Facharbeit aus dem Fach Physik
Thema : Pulsare und ihre Bedeutung für die Physik
Verfasser:
Thomas Sporrer
Leistungskurs:
Physik
2
Gliederung:
1. Geschichte der Pulsare und ihre Entdeckung
2.1 Entstehung von Sternen allgemein
2.2 Entstehung der Neutronensterne als Endstadium von Sternen
3. Rotation der Neutronensterne
4.1 Pulsare als natürliche Synchrotronmaschinen
4.2 Entstehung einer langwelligen Strahlung, in Umgebung des Pulsars
4.3 Entstehung der Radiostrahlung
4.4 Entstehung der optischen, Röntgen- und Gammastrahlung
5.1 Pulsare und ihre Bedeutung für die Grundlagenphysik
5.2 Bedeutung für Physik der kosmischen Strahlung
6. Mangelende Beweisbarkeit mancher Theorien
3
1. Im Februar 1968 brachte die englische Zeitschrift “Nature” einen Artikel über
eine “rasch pulsierende Radioquelle” , die eine Gruppe von Radioastronomen
der Universität Cambridge ein Jahr zuvor entdeckt hatten. Man fand im Sternbild Vulpecula eine Art “kosmischen Leuchtturm”, der mit einer Regelmäßigkeit von
1,3372795 ± 0,000 0020 s
ein Signal aussendet.
Allerdings variiert dieser Wert von Jahr zu Jahr aufgrund des Dopplereffekts,
der von der Geschwindigkeit der Erdbewegung (Rotation plus Bahnbewegung
um die Sonne) in Richtung zur Radioquelle abhängt. Bewegt sich z.B die Erde
auf die Quelle zu, so stellt der irdische Beobachter eine etwas größere Zahl an
Pulsen pro Zeiteinheit fest, d.h somit verkleinert sich die scheinbare Periode.
Die Entdeckung fand mittels der Radioastronomie statt, die es erlaubt die
Signale von außerirdischen Objekten in elektrische Impulse umzuwandeln. Dazu
war auch ein enormer technischer Aufwand nötig; man baute eine Antenne die
aus 2048 kleinen Dipolen bestand und auf einer Fläche von 470m mal 45m
angeordnet war. Jeweils die Hälfte der Dipole hatte man zu einer Komponente
eines sog. Interferometers zusammengeschlossen, das mit der Frequenz f= 81,5
Mhz ( entspricht einer Wellenlänge von λ=307m) den Himmel abtastete. Diese
Antennen wurden zu dem Zweck entwickelt, um die Größe und Geschwindigkeit
von “Plasmaklumpen” im Raum zwischen den Planeten des Sonnensystems zu
messen. Diese Plasmaklumpen sind irreguläre, zeitabhängige Schwankungen
der Elektronendichte mit einen Durchmesser von etwa 100 km. Strahlungen weit
entfernter Radioquellen bewirken in diesen Klumpen das Auftreten von
Lichtblitzen, wenn eben diese Strahlung auf fluoreszierende Substanzen trifft
(Szintillation).
Sehr bald schon bemerkte man eine Reihe von ungewöhnlichen Signalen, die
man zunächst für Störungen irdischen Ursprungs hielt. Nach Ausschaltung aller
möglichen Fehlerquellen kam man zu dem Schluß, dass man einen vollkommen
neuen Typ von außerirdischer Radiostrahlung gefunden hatte, dessen Quelle
sich allerdings außerhalb des Sonnensystems befand.
4
2.1 1934 sagten die Astronomen Walter Baade und Fritz Zwicky die Existenz
von
Neutronensternen
heraus,
die
aufgrund
ihres
außergewöhnlichen
Erscheinungsbildes für die damalige Zeit eine physikalisch nicht begründbare
14
Hypothese waren. Neutronensterne besitzen eine Dichte von bis zu 10 Error!
8
und ein magnetisches Feld von bis zu 10 Tesla; das alles in einem Stern mit
der Masse der Sonne jedoch mit nur 30 km Durchmesser.
Die Frage die sich die Wissenschaft zu dem Zeitpunkt stellte war, wie diese
Sterne entstünden und wie es möglich sei diese riesige Masse auf einen so
winzigen Raum zu verdichten.
Wollen wir zunächst einmal auf die Entstehung von Sternen allgemein eingehen:
Sterne entstehen durch Kondensation von interstellarer Materie, dabei wird die
vorhandene Gravitationsenergie dazu benötigt, um den Stern aufzuheizen. Wenn
6
die Temperatur im Inneren 10 K erreicht, setzen thermonukleare Reaktionen mit
Wasserstoff
ein,
in
der
zunächst
alle
Spuren
vom
schweren
Wasserstoff(Deuteriom) und leichteren Elementen wie Lithium und Beryllium
7
zerstört werden. Bei etwa 10 K wandelt sich dann der Wasserstoff mittels einer
Fusionskette in
4
He um. (In diesem Entwicklungsstadium befindet sich z. B.
unsere Sonne). Wenn der Wasserstoff ausgebrannt ist, bleibt ein reiner
Heliumkern übrig, wobei sich das Wasserstoffbrennen auf die äußeren Hüllen
des Sternes beschränken, und so dem Kern neue Masse hinzugefügt wird. Um
den Energieverlust abzudecken, muß sich der stellare Kern zusammenziehen;
8
dabei wachsen die Dichte und die Temperatur ständig an bis zu etwa 10 K, wo
4
dann das “Heliumbrennen” einsetzt 3 He →
12
C.
Der entstandene Kohlenstoff reagiert teilweise mit Helium zu
16
O. Bei noch
höheren Temperaturen kann auch Sauerstoffbrennen auftreten.
2.2 Bei den letzten Phasen der Entwicklung gerät der Stern immer wieder in
Gefahr die gravitative Anziehung nicht mehr im Gleichgewicht halten zu können
und somit instabil zu werden.
Bei sehr hohen Dichten und Temperaturen
setzten dann Neutrinoprozesse ein, in denen Neutrinos ( Elementarteilchen
ohne Ladung und möglicherweise ohne Masse bzw. sehr geringer Masse) und
Antineutrinos aufgrund von Stößen von Elektronen mit Gammaquanten,
irreversibel entstehen
5
e- + γ → e- + ν + ν- .
Neutrinos besitzen aufgrund ihrer Eigenschaften eine geringe Wechselwirkung
mit Materie, was dazu führt, daß sie Wärmeenergie vom Kern nach außen
mitnehmen und somit der Stern instabil wird. Diese Instabilität führt zu einem
Zusammenfall des stellaren Kerngebiets. Während die äußeren Schichten des
Sterns zur Mitte tendieren, bildet sich eine nach außen gerichtete Stoßwelle aus,
die die einfallenden Schichten in explodierende Materiebewegungen hinter der
Stoßwelle verwandelt. Gegebenenfalls, dass durch die Stoßwelle genug Materie
vom Kern ausgestoßen wurde, expandiert die restliche Kernmaterie ein wenig
und bildet so einen Neutronenstern im Gleichgewichtszustand. Andernfalls
bleibt die Materie ständig im Zustand des Zusammenfalls.
Die nächste Frage, die sich allerdings stellt ist, was im Neutronenstern selbst
vorgeht. Der sowjetische Physiker Lew Landau untersuchte das Phänomen der
dichten Materie im Neutronenstern. Landau bediente sich dabei der Theorie des
entarteten Gases, welches die Fermionen bei sehr hohen Dichten bilden. Diese
Theorie
wurde
unter
anderen
auf
Grundlage
des
Paulischen
1
Ausschließungsprinzips gebildet, welches besagt, dass sich die Fermionen
eines Gases in unterschiedlichen Zuständen befinden müssen. Ein Zustand ist
dabei im wesentlichen durch Lage und Impuls eines Teilchens bestimmt. Das
bedeutet die
Teilchen müssen sich
an verschiedenen Stellen im Raum
aufhalten, was auch bei “normalen” Gas keine Schwierigkeiten mit sich bringt,
weil der Platz vorhanden ist. Jedoch herrscht bei dem entarteten Gas ein so
starkes Gedränge, dass der mittlere Abstand der Teilchen mit atomaren
Abständen vergleichbar wird, etwa mit der de-Broglie- Wellenlänge h/mv. Die
Größe der einem Teilchen zugemessenen Phasenraum, kann nicht beliebig klein
gemacht werden, weil eben aufgrund der Heisenbergschen Unschärferelation
das Produkt aus Ortszellgröße ∆x und Impulszellgröße ∆p stets größer ist als
das Plancksche Wirkungsquantum h
∆x • ∆p ≥ h
1
Sammelbegriff für Elementarteilchen, deren Spin-Quantenzahl halbzahlig ist. (Der Spin ist der
Eigendrehimpuls des Teilchens.) Nach der Quantentheorie kann der Eigendrehimpuls von Teilchen
nur bestimmte Werte annehmen, die entweder ein ganzzahliges oder ein halbbzahliges Vielfaches des
Planck’schen Wirkungsquantums h sind. Zu den Fermionen gehören Elektron, Proton und Neutron. Ihr
Spin ist ein halbzahliges Vielfaches von h, also beispielsweise ±!h oder ±"h.1
6
Werden die Fermionen zusammengedrückt, so sind die Teilchen gezwungen
sich rascher zu bewegen, was nun wiederum wegen p= mv und der Tatsache,
daß sich die Geschwindigkeiten im relativistischen Bereich befinden, zu sehr
hohen
Impulsen
führt.
Dieser
hohen
Impuls führt nun
im
entarteten
Elektronengas zu einem hohen Druck.
Wird ein entartetes Elektronengas weiter komprimiert, so wächst die Anzahl der
inversen β -Zerfälle , bei denen Elektronen von den Kernen ( z.B energiearmes
56
Fe ) eingefangen werden und damit die Kerne auch neutronenreicher werden.
Gleichzeitig nimmt die Neutronenbindungsenergie der Kerne ab, und Neutronen
gelingt es aus dem Kern auszubrechen und ein freies Neutronengas zu bilden.
3. In einem Experiment , erforschten zwei Astronomen der Lick-Sternwarte das
Herz des Krebsnebels , wo man 1968 eine pulsierende Radioquelle NP 0532
entdeckte, die eine sehr kurze Pulsarperioden besitzt: P = 0,033s.
Die Astronomen leiteten das Licht des Sterns, das auf der Erde ankommt durch
ein Teleskop auf eine rotierende Scheibe mit sechs Schlitzen. Diese Scheibe
rotiert mit einer Geschwindigkeit, bei der ungefähr pro Sekunde 30mal
ein
Schlitz für den Durchgang des Lichtstrahls offen war. Auf dem Bildschirm ergab
sich daher ein stehendes Bild, wenn die Rotation der Scheibe mit dem Flackern
des Sterns überlagert wurde.
“Nun mußte man sich die Frage stellen, worauf dieses Phänomen des
Auflammens und Verlöschens eines Sterns zurückzuführen ist. Dafür gab es
nun drei Möglichkeiten:
1. Der Stern pulsiert (wie ein Cepheid)
2. Es handelt sich um einen Doppelstern, dessen beide Komponenten einander
30mal pro Sekunde umkreisen, und zwar in der Ebene unserer Blickrichtung.
3. Der Stern rotiert 30mal pro Sekunde und sendet dabei einen Lichtstrahl, der
uns jede Dreißigstelsekunde trifft.”
2
Aufgrund von theoretischen Überlegungen konnte man die ersten
beiden Fälle ausschließen, weil weder pulsierende Sternkörper noch sich
umkreisende Sternpaare so kurze Perioden erzeugen können.
Somit mußte es sich um einen Körper handeln, der eine so schnelle Rotation
besitzt und gleichzeitig durch die Zentrifugalkräfte nicht zerrissen wird und der
2
Storig, Hans Joachim: Knaurs moderne Astronomie S.120
7
ω²r =
auf die Gleichung
Error!
hört. Sie sagt aus, dass bei hohen
Rotationsgeschwindigkeiten ein geringer Radius und eine enorm hohe Masse
und Gravitation vorhanden sein müssen. Diese Eigenschaften besitzen im
Grunde nur die in Kapitel 2 behandelten Neutronensterne. Bei diesen Sternen
muß
11
die Dichte bei etwa 10
g cm-3 liegen, das sind 100 000 t in einem
Kubikzentimeter!
Aufgrund solcher Dichteverhältnisse ist es natürlich einsichtig, dass je dichter
ein Neutronenstern ist, desto schneller kann er auch rotieren. Allerdings gibt es
hierbei Grenzen, da die Dichte bei Neutronensternen begrenzt ist ( Gefahr des
Zusammenfalls
zu
einem
Schwarzen
Loch),
ist
auch
die
Rotationsgeschwindigkeit nicht beliebig erhöhbar, weil sich ansonsten der
Neutronenstern in einen Ellipsoiden verwandeln , und gleichzeitig auch Masse
verlieren würde.
4.1
Pulsare
arbeiten als natürliche Synchrotronmaschinen, in der die
hochenergetischen Elektronen, die sich in den Neutronensternen befinden, auf
relativistische Geschwindigkeiten gebracht werden.
Die Frage die sich nun
stellt ist, durch welchen Prozeß die Teilchen beschleunigt werden
und
inwieweit die Rotationsenergie eine Rolle spielt.
Auf der Erde wäre die Antwort einfach, man benutzt ringförmig angeordnete
Magnetfelder, in denen geladene Teilchen durch elektromagentische Kräfte auf
hohe Energien gebracht werden . Sollte also bei den Pulsaren ein ähnlicher
Vorgang ablaufen?
Erste Voraussetzung hierfür wäre ein sehr starkes Magnetfeld . Der Kollaps
eines Sterns zu einen Neutronenstern führte zu einer Kompression der
magnetischen Feldlinien zu Kerndichten was wiederum zu einer extrem hohen
magnetischen Feldstärke geführt hat. Bei einer Komprimierung des Sternradius
von Ro auf R erhöht sich die magnetische Feldstärke von Bo auf
B = Bo ( Ro / R ) ² ≈ 10 14 A/ m .
Eine weitere Voraussetzung für die Teilchenbeschleunigung in der Umgebung
des Neutronensterns muß das “Herausragen” des Magnetfelds aus dem Stern
sein , also im einfachsten Fall ein sogenanntes poloidales Dipolfeld sein (siehe
Abbildung)
8
Abb. Magnetische Feldlinien um einen
Neutronenstern . Die Rotationsachse
steht senkrecht zur magn. Achse.
Diese Magnetfeld ist, in der stark leitenden Materie “eingefroren” , und wird bei
hydrodynamischen Bewegungen der Materie mitgeführt. Voraussetzung hierfür
allerdings ist das permanente Vorhandensein von Ringströmen, um das
Magnetfeld aufrecht zu erhalten. Bekannterweise, geht ein Teil dieser Ströme an
den ohmschen Widerstand verloren; Rechnungen ergaben aber, das die
Neutronensternmaterie eine so hohe Leitfähigkeit besitzt, dass eine merkliche
Verkleinerung des Magnetfeldes erst nach Jahrmillionen erfolgt, also Zeiten, die
viel größer sind als die Lebenserwartung eines Pulsars .
Die Leitfähigkeit eines Körpers allgemein hängt ab, in welchen Maße sich die
Ladungsträger frei bewegen können. In erster Linie handelt es sich bei den
Ladungsträgern um Elektronen, die aufgrund der Wechselwirkung mit anderen
Elektronen oder Protonen (bei hohen Energien auch mit Neutronen) sich besser
oder schlechter frei bewegen können.
Beim
Neutronenstern
sind
diese
Wechselwirkungen
allerdings
stark
eingeschränkt.
Die Zweite Voraussetzung für die Hypothese von der Synchotronmaschine ist
die rasche Rotation des Neutronensterns; dies bekam der Stern schon mit in die
Wiege gelegt. Ähnlich wie die Erhaltung des magnetischen Flusses zu hohen
Magnetfeldern geführt hat, mußte die Drehimpulserhaltung beim Kollaps zu sehr
hohen Umdrehungsgeschwindigkeiten geführt haben.
9
4.2 Damit wären nun die zwei natürlichen Eigenschaften des Neutronensterns
genannt. Die auftretenden Effekte, werden nun besonders interessant, wenn der
Neutronenstern um eine Achse rotiert, die nicht mit der Symmetrieachse des
Magnetfeldes übereinstimmt ( siehe obere Abbildung). Man beobachtet, daß den
Neutronenstern im Takt der Rotation eine langwellige elektromagnetische
Strahlung verläßt, deren Frequenz gleich der Rotationsfrequenz des Pulsars ist.
Würde man sich auf dem Stern befinden, dann wäre nur ein festgefrorenes
Magnetfeld festzustellen; von außen jedoch betrachtet, wäre zusätzlich ein
variables elektrisches Feld gleicher Größenordnung zu bemerken. Hat das
Oberflächenmagnetfeld Dipolcharakter( siehe Abbildung), dann produziert der
Neutronenstern langwellige Dipolstrahlung. Beim Krebspulsar beispielsweise,
beträgt die Wellenlänge etwa 107 m; hierbei gilt die Beziehung λ = cT , wobei T
die Umlaufdauer angibt; die Frequenz ist etwa 30 Hz. Die Energie der Strahlung
kommt teilweise aus dem Verlust von Rotationsenergie und Drehimpuls.
Dieser Verlust kann durch die Gleichung
E = - Error!(sin²χ
χ ωError!B² RError!)
beschrieben werden. Dabei bedeutet B die magnetische Feldstärke am Pol des
Sterns,
ω die Winkelgeschwindigkeit, R den Sternradius, χ den Winkel
zwischen Rotationsachse und der Achse des Magnetfeldes. Setzen wir die
Werte des Krebspulsars ein ( ω ≈ 200 s-1 ; χ≈π ; R ≈ 104 m; B ≈ 1014 A/m)
so ergibt sich eine Energieabstrahlung von rund 1045 J/s .
Wenn wir nun den langwelligen Strahlungsfeld folgen, so muß es sich durch ein
Plasma
hindurchbewegen,
wobei
dies
nur
funktioniert,
wenn
die
Strahlungsfrequenz oberhalb einer bestimmten Plasmafrequenz liegt. Ist die
langwellige Strahlungsfrequenz zu niedrig, so breitet es sich nicht mehr aus,
oder wird reflektiert. Ein bekanntes Beispiel ist die Reflexion von langwelligen
Radiowellen in der Erdionosphäre. In der Pulsarumgebung, liegt nun aber die
Plasmafrequenz über der Strahlungsfrequenz, und damit hätte eine Strahlung
keine Möglichkeit den Pulsar zu verlassen, wenn nicht in der Umgebung
ungewöhnliche physikalische Bedingungen herrschen würden.
Die beim Pulsar auftretenden magnetischen Feldstärken von 1014
elektrische
A/m und
in ähnlicher Größenordnung sind so groß, daß durch den
10
Strahlungsdruck der Welle noch in großer Entfernung alle Plasmateilchen
regelrecht hinwegschwemmt werden. Also existiert in unmittelbarer Umgebung
nahezu ein Vakuum. Allerdings gibt es Teilchennachlieferungen aus dem
Neutronenstern und somit auch einige geladene Teilchen in der Magnetosphäre.
Diese Teilchen treten in Wechselwirkung mit dem Wellenfeld: Ein Teilchen mit
der Ladung e und der Masse m, über das eine elektromagnetische Welle
hinwegstreicht, wird durch das elektrische Feld in der Welle beschleunigt( das
Magnetfeld besitzt nur dann Einfluß, wenn die Teilchengeschwindigkeit bereits
nahe an der Lichtgeschwindigkeit liegt). Nach einer Zeit t erlangt es die
Geschwindigkeit v ≈ eEt/m in Richtung des elektrischen Feldes. Die Zeitdauer
der Beschleunigung ist allerdings nur kurz, da sich die Feldrichtung nach 2π/ f
(f ist die Winkelfrequenz der Welle) wieder umkehrt.
Das Teilchen oszilliert also im Takt der Welle der Geschwindigkeiten der
Error!≈ Error!
Ordnung
= a. ( v ist hierbei die Phasengeschwindigkeit eines
Wellenberges, die auch größer als c sein kann) In den meisten Fällen ist die
Frequenz des Strahlungsfeldes so groß, dass a eine außerordentlich kleine,
dimensionslose Größe ist. Die mittlere Geschwindigkeit v ist also klein
gegenüber der Lichtgeschwindigkeit. Aber die
Situation sieht völlig anders
aus, wenn die Feldstärken der Welle sehr hoch werden oder die Frequenzen des
Strahlungsfeldes sehr niedrig sind ( Beide Bedingungen sind in unmittelbarer
Umgebung
eines schief rotierenden Pulsars erfüllt). Das bedeutet an der
Oberfläche des Krebspulsars gilt a ≈ 1011 . Was geschieht hierbei?
Man betrachte als erstes einmal die auf ein Teilchen wirkende Lorentzkraft
Fl = eE + Error! ( v x B) , wobei v die Teilchengeschwindigkeit ist.
“Das Teilchen ist zunächst in Ruhe, und wird dann vom elektrischen Feld E in
kurzer Zeit auf relativistische Geschwindigkeiten gebracht lange bevor sich die
Feldrichtungen umkehren. Ist v ≈ c erreicht, so wird der zweite Term aus der
obigen
Gleichung
wirksam.
Er
beschleunigt
das
Teilchen
in
der
Ausbreitungsrichtung der Welle. Das Teilchen “reitet” sozusagen auf dem
Wellenkamm und entfernt sich mit der Welle rasch vom Neutronenstern.
Dabei gewinnt es eine Energie in der Größenordnung von a² und wird somit bei
genügend großen Werten von a zu eine ultrarelativistischen Teilchen.
Elektromagnetische Felder mit einen hohen a-Faktor, gelten als leistungsfähige
11
Teilchenbeschleuniger. Genauere Rechnungen ergaben für das 30 Hz - Feld des
Krebspulsars erreichbare Energien von 1013 eV für Elektronen und 1015 eV für
Protonen.”
4.3
3
Nun ist die Existenz extrem langwelliger elektromagnetischer Strahlung
erklärt, allerdings gibt es auch noch weitaus schwächere, in Form von Pulsen
ausgesandte elektromagnetische Strahlung höherer Frequenzen.
Wie aus astronomischen Beobachtungen entnommen, pulst der Krebspulsar im
gesamten Gebiet des elektromagnetischen Spektrums, vom Bereich der
langwelligen Radiostrahlung bis hin zur extrem harten Gammastrahlung.
Um dies zu erklären, muß man zunächst zwischen einer kohärenten und
inkohärenten Emission unterscheiden. Bei inkohärenter Emission strahlt jedes
Teilchen
unabhängig
vom
Nachbarteilchen,
wobei
die
Emissionsrate
proportional zur Zahl der vorhandenen Teilchen ist.
Im Falle der kohärenten Emission, wo die Teilchen in Phase emittieren, ist die
Emissionsrate proportional zum Quadrat der vorhanden Teilchen.
Wird die
Emission durch beschleunigte bewegte Ladungen hervorgerufen, spricht man
von einem Antennenmechanismus. Eine andere Form der kohärenten Emission
ist der Maser - Mechanismus, der durch eine “negative Absorption” zu einer
Verstärkung des schon vorhanden Strahlungsfeldes führt. “Eine negative
Absorption, ist eine durch ein Strahlungsfeld stimulierte und somit zusätzlich
wirkende Emission, die dann auftritt, wenn die Teilchenzustände nicht dem
thermodynamischen Gleichgewicht entsprechend besetzt sind.”
4
Aufgrund der intensiven Radiostrahlung, wird bei den Pulsaren der kohärente
Strahlungsprozeß
herangezogen,
und
zur
Deutung
der
einfachere
Antennenmechanismus verwendet.
Die Überlegungen gehen von der Annahme aus, dass die magnetischen
Polargebiete des Neutronensterns als Elektronenkanonen wirken.
Die
gravitative Bindungsenergie ist für das Elektron mit 105 eV zwar hoch, doch das
Verhältnis der gravitativen zu den auf das Teilchen wirkenden elektrostatischen
Kräften ist klein. Die Elektronen werden durch das elektrische Feld in der
Nahzone rasch beschleunigt und überwindet so die gravitative Anziehung längs
3
4
Dautcourt, Georg : was sind Pulsare? S.64
Dautcourt, Georg : Was sind Pulsare? S.70
12
magnetischer Kraftlinien, die wie “Leitungsdrähte” wirken. Theoretische Gründe
lassen vermuten, dass die “Drähte” von Zeit zu Zeit abreißen; das hängt damit
zusammen, dass die positiv geladenen Ionen auf der Pulsaroberfläche
festgehalten werden zur Bildung kettenförmiger Moleküle, die sich eng
verflechten und eine stark verfestigte Form kondensierter Materie darstellen.
Die Ablösung positiv geladener Teilchen von der Oberfläche ist dann viel
schwieriger als die negativen Elektronen. Theorien besagen, dass zwischen
Magnetosphäre und Pulsaroberfläche eine teilchenfreie Lücke von etwa 100m
Höhe entsteht an deren Rändern sich eine hohe Potentialdifferenz von 1011 V
aufbaut. Gelegentlich kommt es zu einer Entladung durch Funkenbildung:
“Die in der Lücke beschleunigten Teilchen senden Gammaquanten aus, die
wenn sie in dem starken Magnetfeld Energien von einer Million Elektronenvolt
erreichen mit Materieteilchen zusammenstoßen Elektron - Positron - Paare
bilden, wobei die Elektronen wieder zur Sternoberfläche wandern und die
Positronen längs der magnetischen Feldlinien nach außen wandern. Bei dieser
Bewegung emittieren die Positronen elektromagnetische Strahlung - ein Effekt,
5
der letztlich die Pulsarstrahlung erklären soll.” Die Teilchenbewegungen stellen
sich als beschleunigte Bewegungen dar, die eine Abstrahlung zur Folge haben,
wobei
die
Frequenz
des
Strahlungsmaximums
abhängig
ist
vom
Krümmungsradius der Feldlinien und von einem relativistischen Faktor.
Die für die Radioemission der Pulsare erforderlichen Teilchenströme können
durch die Annahme eines kohärenten Emissionsprozesses ziemlich niedrig
gehalten werden.
4.4 Eine weitere Frage die sich stellt, ist die Entstehung der optischen, Röntgen
und Gammastrahlung. Die einfachste Erklärung für diese Strahlung bietet die
Annahme der Synchrotronstrahlung :
Neben den Teilchen, die sich längs der Magnetfeldlinien bewegen, gibt es auch
Teilchen,
deren
Geschwindigkeitskomponente
senkrecht
zur
Magnetfeldrichtung zeigt. Diese Teilchen spiralen um die Richtung des
Magnetfelds und senden dabei eine Strahlung im optischen und im Gamma -und
Röntgenbereich aus.
Eine Stütze findet diese Annahme durch die Tatsache, dass das optische
Spektrum des Krebspulsars im nahen infraroten Bereich, bei Frequenzen über
13
7,5 • 1014 Hz , stark abfällt. Dieser Effekt kann der sogennanten SynchrotronSelbstabsorption zugeschrieben werden: Im gleichen Medium, in dem die
Synchrotronstrahlung entsteht, findet wieder eine Absorption der Strahlung
statt, so dass der auftretende Strahlungsstrom stark reduziert wird. Mit der
Kenntnis einer bestimmten Grenzfrequenz , die beim Krebspulsar eben im
infraroten Bereich sich befindet, läßt sich daher das Magnetfeld in der
Emissionsregion abschätzen ( etwa 105 A/m).
5.
Pulsare sind, wie man gesehen hat, astrophysikalisch und physikalisch
hochinteressante Objekte. Pulsare stehen im Dienste der physikalischen
Grundlagenforschung.
Physikalische
Gesetzmäßigkeiten
sind
hier
in
überraschender Weise miteinander verknüpft und geben zu unerwarteten
Effekten Anlaß. Praktisch jedes wichtige Gebiet der theoretischen Physik,
angefangen
von
der
Allgemeinen
Relativitätstheorie,
der
Elementarteilchenphysik, der Kernphysik , der Festkörperphysik bis hin zur
Plasmaphysik sind in der Pulsarforschung vertreten. Die physikalischen
Bedingungen, die um einen Pulsar herum existieren, sind auf der Erde in dieser
Form nicht reproduzierbar und geben uns deswegen Aufschluß über die
Eigenschaften der Kernmaterie oder über die Existenzmöglichkeit ungewöhnlich
hoher Magnetfelder, aber auch über die Beschleunigungsmechanismen in
extrem langwelligen und intensiven elektromagnetischen Strahlungsfeldern.
Unter anderen wurden in den vergangen Jahren die Pulsare zur Messung und
Bestätigung von konstanten “Standards” herangezogen.
Eines der grundlegenden Postulate der speziellen Relativitätstheorie Einsteins
ist die Annahme einer konstanten Lichtgeschwindigkeit c, wobei dies auch
besagt,
dass
es
eine
maximale
Ausbreitungsgeschwindigkeit
für
elektromagnetische Strahlung gibt. Mit Hilfe von Pulsarbeobachtungen fand
man heraus, dass die Lichtgeschwindigkeit eine universelle Größe ist und mit
hoher Genauigkeit konstant. Es wurde festgestellt, dass die Ankunftszeit des
Hauptpulses beim Krebspulsar in den verschiedenen Frequenzbereichen
(Radiobereich, optischer Bereich, Röntgenbereich und Gammabereich ) gleich
sind.
Aber auch die Allgemeine Relativitätstheorie konnte durch die Radioastronomie
bestätigt werden. Einstein entwickelte diese Theorie um die erkennbaren
5
Dautcourt, Georg : Was sind Pulsare? S.72
14
Widersprüche zwischen den Gesetzen der Relativität und denen der Gravitation
zu erklären. Speziell ein Phänomen, der Zeitverschiebungseffekt konnte in
Zusammenhang mit Pulsaren gebracht werden.
Der Effekt sagt aus, dass das unterschiedliche Gravitationsfeld der Sonne in
Sonnennähe bzw. Sonnenferne eine Frequenzverschiebung von der Ordnung
10-10 Hz in irdischen Uhren bewirkt. Diese Verschiebung wurde nachgewiesen,
indem irdische Uhren mit einem konstanten außerirdischen Frequenznormal
(Pulsar) verglichen wurden.
Von Nutzen für die Physik ist die Existenz gewisser Millisekunden - Pulsare,
deren Perioden zwischen 1,5 und 50 Millisekunden liegen. Solche Sterne
entstehen in Binären Sternensystemen, in denen zwei Pulsare um sich selbst
kreisen und einer davon erloschen ist. Der intakte Pulsare überträgt seine
Masse an seinen Begleiter, worauf der Pulsar auf Millisekunden-Perioden
beschleunigt wird.
- Pulsare können auch erlöschen, wenn ihre Rotation verlangsamt wird, so
daß
keine Ladung mehr erzeugt und entlang der Magnetfeldlinien
beschleunigt werden. Eben diese Millisekunden - Pulsare mit ihren, mit solcher Regelmäßigkeit
ausgesendeten Signalen, können mit den Besten irdischen Cäsium - Atomuhren
verglichen werden. Somit wäre die korrekte Zeitmessung nicht mehr den
physikalischen Phänomen der Schwingung von Cäsiumatomen unterworfen,
sondern rein dem Pulsen mehrerer außerirdischer Objekte. Problematisch
allerdings sind die von Zeit zu Zeit auftretenden Abweichungen der Perioden,
die es noch unter einen gemeinsamen Nenner zu bringen gilt.
Die Rate der Verlangsamung der Pulsperiode gibt Aufschluß über das Alter von
Pulsaren, sowie über die Stärke des herrschenden Magnetfelds an der
Oberfläche.
5.2 Das 30 -Hz-Strahlungsfeld des Krebspulsars stellt eine wichtige Bedeutung
für die kosmische Strahlung in der Galaxis dar. Besonders in der Umgebung
des Pulsars, im sogenannten Krebsnebel, läßt sich aufgrund der Existenz eines
Magnetfelds von etwa 0,1 bis 0,01 A/m Stärke sagen, daß sich auch das 30-Hz Strahlungsfeld in diesen Nebel befindet. Dieses Feld beschleunigt auch
hochenergetische Teilchen, womit auch eine Strahlung zustande kommt, die
15
nicht direkt vom Krebspulsar stammt. Eine solche Strahlung läßt sich wirklich
beobachten; auf der Erde stellte man die kosmische Strahlung fest, durch
Ionisierung der Erdatmosphäre in großen Höhen. Kosmische Strahlung hat die
Eigenschaft das sie aus subatomaren Teilchen besteht, die elektrisch geladen
sind und vom Erdmagnetfeld abgelenkt werden. Diese Teilchen müssen also
durch
einen
Beschleunigungsprozeß
die
Erde
erreicht
haben.
Die
Pulsarumgebung bietet die Bedingungen, die für die Erklärung eben dieser
kosmischen Strahlung von Bedeutung sind.
6. In den letzten 25 Jahren hat sich sehr viel im Bereich der Pulsarforschung
getan, um Fragen die vorher nur zum Teil richtig beantwortet werden konnten
nun auch theoretisch und experimentell unter einen Hut zu bringen. Viele
Fragen sind aber immer noch offen und können deswegen auch nur
ungenügend oder überhaupt nicht beantwortet werden. Die obige Arbeit stellt
eine Mixtur aus vielen Theorien und theoretischen Ergebnissen dar, wie sie von
den Autoren in den meisten Fällen postuliert werden. Diese Theorien sind oft
nicht experimentell zu überprüfen, weil einfach der technische Aufwand dafür
viel zu hoch ist.
Meist werden aus Beobachtungen Theorien entwickelt, die von der Logik her
richtig sind, ob sie allerdings mit der Wirklichkeit übereinstimmen, kann erst in
einigen Jahren oder niemals geklärt werden.
16
Quellenangaben:
1) Dautcourt, Georg : Was sind Pulsare?
Deutsch-Taschenbücher Bd.33 2.Aufl. 1988
2) A.G. Lyne : Pulsar astronomy
3) Hans Joachim Storig: Knaurs moderne Astronomie
4) http:// www.mpifr-bonn.mpg.de/forschung/
5) http:// www1.tu-chemnitz.de/
17
Ich erkläre hiermit , ich die Facharbeit ohne fremde Hilfe angefertigt und nur die
im Literaturverzeichnis angeführten Quellen und Hilfsmittel habe .
............................, den......................
Ort
Datum
......................................................
Unterschrift des Schülers