Pulsare - Universität Würzburg
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Was bisher geschah... Modelle Bedeutung Pulsare Stephan Richter Julius Maximilians Universität Würzburg 04.12.2007 S. Richter Pulsare Was bisher geschah... Modelle Bedeutung Inhaltsverzeichnis Was bisher geschah... Historisches Charakteristik der Signale Mögliche Quellen Entstehung Modelle Basis Modell eines Pulsars genauere Betrachtung der Pulse Röntgenpulsare Bedeutung S. Richter Pulsare Was bisher geschah... Modelle Bedeutung Historisches Charakteristik der Signale Mögliche Quellen Entstehung I am 28. November 1967 durch Jocelyn Bell und Antony Hewish erstmals beobachtet I Signal mit ungewöhnlicher Regelmäßigkeit → Vermutung: künstliches Signal LGM-1 S. Richter Pulsare Was bisher geschah... Modelle Bedeutung Historisches Charakteristik der Signale Mögliche Quellen Entstehung I am 28. November 1967 durch Jocelyn Bell und Antony Hewish erstmals beobachtet I Signal mit ungewöhnlicher Regelmäßigkeit → Vermutung: künstliches Signal LGM-1 It was higly unlikely that two lots of Little Green ” Men could choose the same unusual frequency and unlikely technique to signal to the same inconspicuous planet earth!“– Jocelyn Bell [4] S. Richter Pulsare Was bisher geschah... Modelle Bedeutung S. Richter Historisches Charakteristik der Signale Mögliche Quellen Entstehung Pulsare Was bisher geschah... Modelle Bedeutung Historisches Charakteristik der Signale Mögliche Quellen Entstehung I 1968 erstmals die Vermutung der rotierenden Neutronensterne durch Thomas Gold und Franco Pacini I 1974 erhielt Antony Hewish den Nobel Preis für Physik I heute sind etwa 1700 Pulsare bekannt S. Richter Pulsare Was bisher geschah... Modelle Bedeutung I überwiegend Perioden zwischen 0,25 und 2s I Pmin = 0.0016s I Pmax = 4.308s Historisches Charakteristik der Signale Mögliche Quellen Entstehung Abbildung: Periodenhäufigkeit [4] I typischer Wert für die Periodenabnahme Ṗ ≈ 10−15 I daraus ergibt sich charakteristische Lebensdauer t = S. Richter Pulsare P Ṗ ≈ 107 a Was bisher geschah... Modelle Bedeutung Historisches Charakteristik der Signale Mögliche Quellen Entstehung Binärsysteme I um die gemessenen Perioden zu erreichen müßten Sterne in einem Abstand von d ≈ 108 cm umeinander rotieren → Weiße Zwerge können ausgeschlossen werden I bei Neutronen-Doppel-Sternen ist die Abstrahlung von Gravitationswellen nicht vernachlässigbar, was zum Widerspruch zur Periodenstabilität steht pulsierende Sterne I Weiße Zwerge oszillieren mit Perioden im Bereich von 100 bis 1000s I Neutronensterne etwa 108 mal dichter; mit P ∝ Perioden im Bereich von 0,01 bis 0,1s S. Richter Pulsare √1 ρ → Was bisher geschah... Modelle Bedeutung Historisches Charakteristik der Signale Mögliche Quellen Entstehung rotierende Sterne I Rotation wäre auf Grund der enormen Trägheitsmomente sehr stabil I einzige Beschränkung: für stabile Sterne darf die Zentripetalkraft die Gravitationskraft nicht übersteigen I einfaches Modell: FZ = FG M 2 ωmax R = k =G 2 R r R3 Pmin = 2π GM S. Richter Pulsare Was bisher geschah... Modelle Bedeutung Historisches Charakteristik der Signale Mögliche Quellen Entstehung rotierende Sterne I Rotation wäre auf Grund der enormen Trägheitsmomente sehr stabil I einzige Beschränkung: für stabile Sterne darf die Zentripetalkraft die Gravitationskraft nicht übersteigen I einfaches Modell: FZ für einen 1,4M Neutronenstern ergibt sich: = FG M 2 ωmax R = k =G 2 R r R3 Pmin = 2π GM Pmin ≈ 5 · 10−4 s ⇒ Pulsare sind rotierende Neutronensterne S. Richter Pulsare Was bisher geschah... Modelle Bedeutung Historisches Charakteristik der Signale Mögliche Quellen Entstehung Neutronensterne I entstehen, wenn bei einer Supernova der rotierende Core eines massereichen Sterns kollabiert I dabei muss 1,4M < Mcore < 3M I Elektronen werden in den Kern gezogen und werden mit den Protonen zu Neutronen umgewandelt I Drehimpulserhaltung führt zu schneller Rotation I auf Grund der hohen Leitfähigkeit und der Magnetflusserhaltung entstehen sehr starke Magnetfelder S. Richter Pulsare Was bisher geschah... Modelle Bedeutung I Historisches Charakteristik der Signale Mögliche Quellen Entstehung typische Werte: B ≈ 1012 Gauss, R ≈ 15km, ρ ≈ 1012 kg /cm3 , Teff & 106 K → Röntgenberich, v ≈ 450km/sec, Aufbau I äußere Kruste von wenigen Metern aus Eisenatomkernen I eine etwa 1km dicke Übergangszone aus Eisenatomkernen und freien Neutronen/Neutronenflüssigkeit I anschließend überwiegend Neutronen (supraflüssig) und wenige Protonen und Elektronen (supraleitend) I im Kern, bei der dreifachen Dichte eines Atomkerns, könnten freie Quarks existieren S. Richter Pulsare Was bisher geschah... Modelle Bedeutung Historisches Charakteristik der Signale Mögliche Quellen Entstehung Hinweise auf Supernova-Erklärung I 1968 wurden Pulsare mit den Supernovaüberresten Vela- und Krebsnebel in Verbindung gebracht I im Gegensatz zu allen anderen Sternen, die in der Hälfte aller Fälle zu Binärsystemen gehören, sind es bei Pulsaren nur 1% I Pulsare haben zumeist eine viel größere Geschwindigkeit als umliegende Sterne S. Richter Abbildung: Zentrum des Krebsnebels Pulsare Was bisher geschah... Modelle Bedeutung I Basis Modell eines Pulsars genauere Betrachtung der Pulse Röntgenpulsare schnell rotierender Neutronenstern mit starkem Dipol-B-Feld, das zur Rotationsachse geneigt ist The theory of how pulsars emit their radiation is still ” in its infancy, even after nearly forty years of work“– Werner Becker, Max-Planck Institut, Garching I I schneller rotierendes Inneres“ gegenüber der Kruste[5] ” über den Polen stärkste Änderung des Magnetfeldes → Induktion enormer Spannungen, welche Ladungsträger aus der Kruste reißen und extrem beschleunigen → Magnetosphäre I Ladungsträger laufen entlang der Feldlinien, wobei Synchrotronstrahlung entsteht I Abstrahlung in kleinem Raumwinkel; wenn Sichtlinie zur Erde überstrichen → Pulsar S. Richter Pulsare Was bisher geschah... Modelle Bedeutung Basis Modell eines Pulsars genauere Betrachtung der Pulse Röntgenpulsare I geladene Teilchen rotieren mit dem Pulsar I bei Erreichen des Lichtzylinder-Mantels werden sie als Pulsarwind weggeschleudert I somit ist (z.B. im Krebsnebel) das langanhaltende Nachglühen und die Beschleunigung der Expansion von Supernova-Überresten zu erklären I tatsächlich geht beim Krebsnebel nur ein Anteil von ≈ 5 · 10−9 des Gesamtenergieverlustes in die Strahlung S. Richter Pulsare Was bisher geschah... Modelle Bedeutung Basis Modell eines Pulsars genauere Betrachtung der Pulse Röntgenpulsare glitches I schlagartige Verringerung der Periode um einen Betrag ∆P ≈ 10−6 bis 10−8 P [4] S. Richter Pulsare Was bisher geschah... Modelle Bedeutung Basis Modell eines Pulsars genauere Betrachtung der Pulse Röntgenpulsare Subpulse/Pulsprofil I jeder Puls besteht aus einer Anzahl von Subpulsen, deren Abfolge stark variiert I ein mittleres Pulsprofil über einige hundert Pulse ist dagegen sehr stabil [4] Abbildung: Pulsprofil S. Richter Pulsare Was bisher geschah... Modelle Bedeutung I I Basis Modell eines Pulsars genauere Betrachtung der Pulse Röntgenpulsare die Position der Subpulse innerhalb des Pulsfensters kann sich verändern oder durchläuft es (drifting subpulses) sog. nulling events: Subpulse verschwinden aus dem Profil für bis zu 100 Perioden [4] Abbildung: Driftende Subpulse S. Richter Pulsare Was bisher geschah... Modelle Bedeutung Basis Modell eines Pulsars genauere Betrachtung der Pulse Röntgenpulsare Erklärung der Strahlungscharakteristika I die entstehende Synchrotronstrahlung besitzt ausreichend Energie für die Entstehung von Elektron-Positron Paaren γ → e− + e+ I eine Kette von Paarbildungen könnte zu Kohärenten Teilchenpaketen führen, die wir als Subpulse messen I glitches: Verringerung des Trägheitsmomentes, evtl. durch strukturelle Änderungen oder einen Transfer von Drehmoment zwischen Kruste und Innerem S. Richter Pulsare Was bisher geschah... Modelle Bedeutung I Basis Modell eines Pulsars genauere Betrachtung der Pulse Röntgenpulsare Röntgenpulsare kommen nur in Doppelsternsystemen vor und sind eine Vorstufe zum Neutronenstern-Doppelsystem [1] S. Richter Pulsare Was bisher geschah... Modelle Bedeutung I sobald das Potentialmaximum an den Rand des Begleiters gelangt, kommt es zur Akkretion I es entsteht eine Akkretionsscheibe, die nahe des Pulsars durch das starke Magnetfeld aufgebrochen wird I geladene Teilchen bewegen sich zu den Polen → Akkretionssäulen S. Richter Basis Modell eines Pulsars genauere Betrachtung der Pulse Röntgenpulsare Pulsare Was bisher geschah... Modelle Bedeutung I sobald das Potentialmaximum an den Rand des Begleiters gelangt, kommt es zur Akkretion I es entsteht eine Akkretionsscheibe, die nahe des Pulsars durch das starke Magnetfeld aufgebrochen wird I geladene Teilchen bewegen sich zu den Polen → Akkretionssäulen S. Richter Basis Modell eines Pulsars genauere Betrachtung der Pulse Röntgenpulsare Abbildung: Akkretionssäule [2] Pulsare Was bisher geschah... Modelle Bedeutung Entfernungsmessung I da Pulse gleichzeitig auf verschiedenen Frequenzen abgestrahlt werden kann man aus der Dispersion (durch z.B Elektronen im interstelaren Raum) auf die Entfernung schließen Gravitationswellen I z.B. doppel Neutronen Stern System PSR 1913+16 I auf Grund der Genauigkeit der Pulse lassen sich Pfadänderungen bis auf 30m genau nachvollziehen I aus der Abnahme der Periode kann auf den Energieverlust durch Abstrahlung von Gravitationswellen geschlossen werden I Übereinstimmung zur Theorie mit einer Genauigkeit von 10−14 [3] S. Richter Pulsare Was bisher geschah... Modelle Bedeutung M. Kramer. Pulsare als kosmische uhren. Sterne und Weltraum, (10):30–37, 2006. U. Kraus. Röntgenpulsare. Sterne und Weltraum, (10):38–45, 2006. R. Penrose. THE ROAD TO REALITY. Alfred A. Knopf, 2004. B. W. C. und Dale A. Ostlie. Modern Astrophysics. Addison-Wesley, 1996. B. L. R. E. und Kenneth Van Riper. Pulsar glitches as probes of neutron star interiors. Nature, (359):616 – 618, 1992. S. Richter Pulsare
