Julia Brucker Scheinseminar Astro- und Teilchenphysik 24

Pulsare
Julia Brucker
Scheinseminar Astro- und Teilchenphysik
24. Oktober 2005
Inhalt
• Geschichte:
• Pulsarmodell
• Neutronensterne:
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- Entdeckung von Pulsaren
- Identifizierung mit Neutronensternen
- Entstehung
- Aufbau
- Eigenschaften
Überblick:
- Alter
- galaktische Population
- Pulsperiode
- Pulsprofil
Modelle für die Entstehung hochenergetischer Gammastrahlung
Binärpulsare und Millisekundenpulsare
Indirekter Beweis für Gravitationswellenstrahlung
Entdeckung von pulsierender
Radiostrahlung
• 1967 durch Jocelyn Bell
• Hewish (Cambridge):
Untersuchung von
interplanetarischen
Szintillationen
• Periodisches Signal, Periode
1,34 Sekunden
• Pulsating Source of Radio
Emission = Pulsar
→ PSR B1919+21
• Vorhersage: Lage außerhalb
des Sonnensystems,
vermutlich kondensierter Stern
(Weißer Zwerg oder
Neutronenstern)
• 1974 Nobelpreis für Hewish
Vorhersage von Neutronensternen
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1932 Landau: Existenz von
supermassive Objekte im
Universum, die praktisch nur aus
Neutronen bestehen würden
1934 Baade und Zwicky:
Neutronensterne als Endstadium
der Sternentwicklung
1939 Oppenheimer und Volko:
Modell für die Struktur von
Neutronensternen (→ Masse:
1 Sonnenmasse, Radius: 10km)
aber: Neutronensterne werden für
nicht beobachtbar gehalten
1967 Pacini: rotierender
Neutronenstern mit starkem
magnetischen Dipolfeld wirkt als
elektrischer Generator
Identifizierung mit rotierenden
Neutronensternen
•
Verschiedene Theorien:
–
–
–
•
radiale Schwingungen
Binärsysteme
Rotation
Entscheidend für Identifizierung (Pacini
und Gold): Entdeckung des Crab Pulsar
–
–
sehr kurze Periode (33 ms)
messbare Zunahme der Periode (13 µs pro Jahr)
Pulsare (Modell)
• Hochmagnetisierter,
rotierender
Neutronenstern
• Gebündelter Strahl
elektromagnetischer
Strahlung entlang
Dipolachse
• Rotation → gepulste
Strahlung
Entstehung von Neutronensternen
• Supernova Typ II
• Endstadium eines Sterns, dessen Zentralbereich eine Masse von
1,44 - 3 Sonnenmassen aufweißt
• Massereich → Fusion bis Eisen
• Kollaps: Rekombination von Protonen und Elektronen
• Stabilität: Entartungsdruck der Neutronen
• Entscheidend für Pulsar:
Erhaltung von magnetischem Fluss
und Drehimpuls
Aufbau von Neutronensternen
• Durchmesser von 20 km,
Masse 1,4
Sonnenmassen
• 2 Hauptkomponenten:
Kruste und flüssiges
Inneres aus Neutronen
• Kern: verschiedene
Vorstellungen
– Mesonen und Kaonen
– Quarks und Gluonen
Eigenschaften von Neutronensternen
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•
Masse: 1,4 Sonnenmassen, Durchmesser: 20 km
15
3
10
g
/
cm
Dichte: bis zu
Trägheitsmoment: 1044 gcm2
Temperatur im Bereich von 1Million Kelvin
8
10
T
Magnetfeld: Dipolfeld, Größenordnung
Perioden
• Pulsperiode:
– die meisten zwischen 0,1
und 3 Sekunden
– Millisekundenpulsare
unter 10 Millisekunden
• Verlust an
Rotationsenergie
– Abstrahlung magnetischer
Dipolstrahlung
– Abgabe von
beschleunigten Partikeln
Charakteristisches Alter
• Vereinfachte Annahme:
→ charakteristisches Alter:
Population
• bisher 1600 Pulsare entdeckt
• Konzentration um die galaktische Ebene
• vermutlich 104 − 105 aktive Pulsare in der
Galaxie
Pulsprofil 1
• einzelne Pulse
unterschiedlich
→ integriertes
Pulsprofil
• für verschiedene
Pulsare
unterschiedliche
Profile
Pulsprofil 2
• Pulse nicht nur im
Radiobereich:
– Optischen Bereich
– Röntgenbereich
– Gammastrahlen
• für verschiedene
Wellenlängen
verschiedene Profile
• Einteilung Radio- und
hochenergetischer
Bereich
Emission
• Großteil der
abgestrahlten Energie
im hochenergetischen
Bereich
• Beobachtung mit
Satelliten Teleskope
bis 30 GeV
• Verlauf im GeVBereich entscheidend
für Modelle
Magnetosphäre
• Entstehungsort der
Strahlung
• Goldreich und Julian
(1969): Felder und
Ladungsdichten für
parallelen Rotator:
– Starkes elektr. Feld parallel
zu Magnetfeldlinien
– Ladungsgetrenntes Plasma
• Unterteilung: Bereiche mit
– Offenen Feldlinien
– Geschlossene Feldlinien
Geometrie der emittierenden
Bereiche
• Schiefer Rotator
• Polar Cap Model:
(1971 Sturrock)
Beschleunigung von
Teilchen an den
magnetischen Polen,
nahe der Oberfläche
• Outer Gap Model:
(1986 Cheng, Ho,
Ruderman)
Lücke an der
Nulloberfläche in der
äußeren Magnetosphäre
Strahlungsprozesse 1
• Synchrotronstrahlung
– Kontinuierliches Spektrum
– Strahlkegel in Bewegungsrichtung
• Krümmungsstrahlung
– Eigenschaften wie Synchrotronstrahlung
– abhängig vom jeweiligen Krümmungsradius
Strahlungsprozesse 2
• Magnetische Paar-Bildung
B
– γ
→
e+ + e−
– Bei ausreichend hohem Magnetfeld (4,4 Milliarden Tesla)
• Inverser Comptoneffekt:
Streuung eines Photons an ultrarelativistischen Elektron → Photon
im TeV Berech
Polar Cap versus Outer Gap
• Polar Cap:
Beschleunigung von Teilchen entlang der Magnetfeldlinien
→ Krümmungsstrahlung (Gammastrahlen), inverser Comptoneffekt
→ magnetische Paarbildung
→ elektromagnetische Kaskaden
• Outer Gap:
keine magnetische Paarbildung → TeV Photonen beobachtbar
Binärsysteme u. Millisekundenpulsare
• 1974 Entdeckung eines Pulsars in einem
Doppelsternsystem: PSR B1913+16;
– Nachweis durch Dopplereffekt
– Umlaufzeit 7 ¾ Stunden
– Rotationsperiode 59 ms
– Begleiter ebenfalls Neutronenstern
• 1982 Millisekundenpulsar (Periode 1,6 ms)
• mehr als 70% aller Millisekundenpulsare
befinden sich in Binärsystemen
Transfer von Masse
• Roche-Grenzfläche
• Stern ≥ RocheGrenzfläche:
→ Überfließen von
Masse
→ Drehimpuls wird
übertragen
→ Pulsar wird
beschleunigt
Verifikation der ART
• 1993 Nobelpreis für Taylor und Hulse:
"for the discovery of a new type of pulsar, a discovery that has
opened up new possibilities for the study of gravitation"
• Verschiebung des Periastron:
– bei Merkur 43 Bogensekunden pro Jahrhundert
– PSR B1913+16: 4,2 Grad pro Jahr (35000 mal größer)
Gravitationswellen
• 1915 von Einstein im Rahmen der ART vorhergesagt
• Wellen der Raumzeit, bewegen sich mit Lichtgeschwindigkeit
• Beschleunigte Massen senden Energie in Form von
Gravitationswellen aus
• Taylor / Hulse: indirekter Nachweis
– Abstrahlung von Gravitationsenergie führt zur Annäherung der
Neutronensterne auf Spiralbahn
– Messbar als Änderung der Umlaufperiode: 0,076 ms
Zusammenfassung
• Ausgangspunkt: gepulste Signale
• Rückschlüsse:
– Neutronenstern als Quelle des Signals
– Ursachen der Strahlung (Magnetosphäre, gebündelte
Strahlung entlang offener Magnetfeldlinien, gepulst
aufgrund von Rotation)
• Ausblick:
– Verifikation von Polar Cap und Outer Gap Modell
– Entstehung der Radiostrahlung
– direkter Nachweis von Gravitationswellenstrahlung
Quellen
• [LGS] Pulsar Astronomy, Cambridge Astrophysics Series 31, Lyne
und Graham-Smith,1998
• [FSD] Search for Pulsed TeV Gamm-Ray Emission from Pulsars
with H.E.S.S., Fabian Schmidt, Diplomarbeit, Humboldt-Universität
zu Berlin, 2005 (http://www-eep.physik.hu-berlin.de/hess)
• [BKD] Die Suche nach hochdispergierten Radio-Pulsaren in
Richtung des Galaktischen Zentrums, Bernd Klein, Dissertation,
Rheinischen Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn, Bonn 2005
(http://hss.ulb.uni-bonn.de/diss_online/math_nat_fak/2005/klein_bernd/teil1.pdf)
• [JB] http://www.jb.man.ac.uk/~pulsar
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http://www-eep.physik.hu-berlin.de/~lohse/semws0304/pulsare/Pulsare.ppt
http://relativity.livingreviews.org/open?pubNo=lrr-2001-5&page=node3.html
http://www.astro.umd.edu/~miller/nstar.html
Bilderverzeichnis
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http://www.eso.org/outreach/press-rel/pr-1999/pr-17-99.html
http://www.jb.man.ac.uk/research/pulsar/Education/frontier/frontier.html
http://www.jb.man.ac.uk/~pulsar/Education/Tutorial/tut/node2.html
http://imagine.gsfc.nasa.gov/docs/science/know_l1/pulsars.html
http://hss.ulb.uni-bonn.de/diss_online/math_nat_fak/2005/klein_bernd/teil1.pdf
http://hss.ulb.uni-bonn.de/diss_online/math_nat_fak/2005/klein_bernd/teil1.pdf
http://chandra.harvard.edu/resources/illustrations/neutronstars_5html
http://hss.ulb.uni-bonn.de/diss_online/math_nat_fak/2005/klein_bernd/teil1.pdf
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http://hss.ulb.uni-bonn.de/diss_online/math_nat_fak/2005/klein_bernd/teil1.pdf
http://www.gae.ucm.es/~emma/tesina/node24.html#Fig4-3
http://www-eep.physik.hu-berlin.de/hess
http://www-eep.physik.hu-berlin.de/~lohse/semws0304/pulsare/Pulsare.ppt
Bilderverzeichnis
• Seite 17:
http://www-eep.physik.hu-berlin.de/hess
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http://www.ess.sunysb.edu/fwalter/TALKS/Xray/xray_em.html
Seite 18:
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Seite 24:
http://www.ess.sunysb.edu/fwalter/TALKS/Xray/xray_em.html
http://www.spacenews.be/art2003/pulsars_030703.html
http://hss.ulb.uni-bonn.de/diss_online/math_nat_fak/2005/klein_bernd/teil1.pdf
http://chandra.harvard.edu/photo/2005/j0806/more.html#wd