Extreme Taktgeber

Dreckseffekt, so könnte man das kleine wiederkehrende Signal nennen, auf das die 24-jährige Jocelyn Bell, Doktorandin an der Universität Cambridge, im August 1967 gestoßen war. Bell wertete die über hundert Meter langen Ausdrucke aus, mit denen die Beobachtungen des neu eingerichteten „Interplanetary Scintillation Array“ am Mullard Radio Astronomy Observatory aufgezeichnet wurden.

Die junge Astronomin hatte zusammen mit anderen Studierenden zwei Jahre beim Aufbau des Radioteleskops geholfen, das aus insgesamt 2048 Kupfer-Dipolen und fast 200 Kilometern Kabel bestand und zur Suche nach Quasaren dienen sollte. Diese punktförmigen und extrem weit entfernten Radioquellen waren seit 1964 bekannt. Jocelyn Bell übernahm den Betrieb des von ihrem Betreuer Antony Hewish konzipierten Antennen-Arrays.

Bei der Auswertung fiel ihr ein sporadisch auftauchendes Signal auf, das weder zu einem Quasar zu passen noch eine störende Interferenz zu sein schien. Um mehr Klarheit zu erlangen, entschieden Hewish und Bell, die Zeitauflösung dann, wenn das Signal wahrscheinlich zu erwarten war, zu erhöhen. Dafür ließen sie das Papier schneller durch den Datenschreiber laufen.

Nach mehreren erfolglosen Versuchen hatte Bell Erfolg: Am 28. November 1967 registrierte sie ein Signal mit einer erstaunlich genauen Periode von 1,337 Sekunden, dessen Ursprung zunächst vollkommen rätselhaft erschien. Hewish vermutete zunächst, es könnte menschlichen Ursprungs sein, aber nachfolgende Analysen der Strahlung wiesen auf ein rund 200 Lichtjahre entferntes Objekt im Sternbild Vulpecula (Füchschen) hin – das ist knapp ein Zehntel des heutigen Literaturwerts von 2300 Lichtjahren.

Eine irdische Quelle schied somit aus. Kurzzeitig schlossen die Radioastronomen sogar eine außerirdische Zivilisation als Quelle des Signals nicht aus. Die dafür erforderliche enorme Energiemenge und die Entdeckung weiterer Quellen ließen die „Little Green Men“-Hypothese aber schnell unrealistisch erscheinen.

In der Veröffentlichung ihres spektakulären Fundes brachten Bell, Hewish und ihre Kollegen Anfang Februar 1968 Weiße Zwerge und Neutronensterne als mögliche Kandidaten ins Gespräch. Wie der Astrophysiker Thomas Gold, ebenfalls an der Universität Cambridge, Anfang 1969 zeigen konnte, sind rotierende Neutronensterne die einfachste Erklärung für das Ticken der „Pulsar-Uhr“. Damit war auch ein erster Beleg für die Existenz von Neutronensternen gefunden, die Fritz Zwicky und Walter Baade 1934 erstmals postuliert hatten.

Auch wenn die Entstehungsmechanismen der Pulsar-Strahlung bis heute noch nicht völlig verstanden sind, handelt es sich bei Pulsaren doch sicher um Überreste von Supernova-Explosionen massereicher Sterne. Der größte Teil des Sterns wird dabei ins Weltall hinausgeschleudert, während der Kern implodiert. Genügt die Masse nicht für die Entstehung eines Schwarzen Lochs, bleibt ein nur zehn bis 20 Kilometer großer Neutronenstern übrig, dessen Dichte größer ist als die eines Atomkerns. Sehr starke Magnetfelder und schnelle Rotation führen zu zwei gebündelten Strahlen. Pulsare stellen daher einen stellaren Leuchtturm dar und sind nur bei passender Abstrahlrichtung von der Erde aus zu beobachten.

Antony Hewish erhielt 1974 den Physik-Nobelpreis für „seinen entscheidenden Beitrag zur Entdeckung der Pulsare“. Der zweite Preisträger war sein Kollege Andrew Ryle, der den Preis unter anderem für seine Entwicklung der Apertursynthese erhielt. Jocelyn Bell Burnell, wie sie nach ihrer Heirat hieß, ging leer aus, was zu einigen Kontroversen führte. Sie selbst führte die Entscheidung unter anderem darauf zurück, dass sie zur Zeit der Entdeckung nur als Doktorandin an der Entdeckung mitgewirkt habe.

Aus dem Dutzend entdeckter Pulsare Anfang 1969 sind mittlerweile über 2600 geworden, wobei die beobachteten Frequenzen von mehreren Sekunden bis hin zu wenigen Millisekunden reichen. Die Suche nach Pulsaren und ihre weitere Erforschung sind immer noch von großer Bedeutung, um die Eigenschaften der extrem dichten Kernmaterie zu verstehen. Pulsare sind zudem wichtige Objekte, um die Allgemeine Relativitätstheorie zu testen. Wie der Astronom Joseph Taylor und sein Doktorand Russell Hulse an dem von ihnen entdeckten ersten Doppelpulsar PSR 1913 + 16 zeigen konnten, lässt sich das Schrumpfen der Umlaufbahn auf die Emission von Gravitationswellen zurückführen.

Bell Burnell wandte sich nach ihrer Promotion der Gamma-Astronomie zu. Ihr besonderes Anliegen ist es, die wissenschaftlichen Karrieren von Frauen in Astronomie und Physik zu fördern. Teil dieses Engagements ist die Lise-Meitner-Lecture, die sie auf der DPG-Jahrestagung 2013 in Dresden hielt.

Dass ihr Beitrag entscheidend für die Entdeckung der Pulsare war, brachte sie bereits in ihrer Dissertation zum Ausdruck: „Wenn man die Datenausgabe der Antenne digitalisiert und direkt in einen Computer gefüttert hätte, wären diese Quellen wohl nicht entdeckt worden, weil der Computer nicht auf die Suche nach solch unerwarteten Objekten programmiert gewesen wäre.“

Alexander Pawlak

Weitere Infos

• A. Hewish, S. J. Bell, J. D. H. Pilkington, P. F. Scott und R. A. Collins, Observation of a Rapidly Pulsating Radio Source, Nature 217, 703 (1968)
• S. J. Bell, The measurement of Radio Source Diameters using a Diffraction Method (Dissertation) (1969)
• Nobelpreis für Physik 1974 an Martin Ryle und Antony Hewish
• ATNF Pulsar Catalogue
• Pulsare zum Anhören (Einstein Inside)

Weitere Beiträge

• J. Schaffner-Bielich, Neutronensterne: Unheimlich und exotisch, Physik Journal, Juni 2017, S. 35
• M. Kramer und N. Wex, Präzisionstests mit Pulsaren, Physik Journal, Juni 2016, S. 31
• J. Wilms, Besser als Atomuhren?, Physik Journal, August/September 2010, S. 20
• V. Weidemann, Physik-Nobelpreis 1993: Der Doppelsternpulsar PSR 1913 + 16: ein idealer Testfall für Gravitationstheorien, Physikalische Blätter 49, 1101 (1993)
• W. Kranzer, Pulsare, Physikalische Blätter 25, 266 (1969)
• Gespräch mit Jocelyn Bell Burnell 2015 Edinburgh International Science Festival (Video)
• M. Riordan und J. Bell Burnell (Hrsg.): Dark Matter - Poems of Space (2009), Physik Journal, Juli 2009, S. 57 [Rezension]
• Antony Hewish auf "Web of Stories" (Videos)