Propellereffekt bremst Millisekundenpulsare
Pulsare können durch Materie, die von außen auf sie einströmt, nicht nur beschleunigt, sondern auch verlangsamt werden. Das erklärt einige Rätsel.
Neutronensterne gehören zu den exotischsten Himmelskörpern. Sie besitzen Durchmesser von etwa 20 Kilometern, enthalten aber in etwa die Masse unserer Sonne. Ein würfelzuckergroßes Stück ihrer ultrakompakten Materie würde auf der Erde mehrere hundert Millionen Tonnen wiegen. Eine Unterklasse von ihnen, die Millisekundenpulsare, wirbeln zudem bis zu einige hundert Mal pro Sekunde um die eigene Achse. Frühere Untersuchungen hatten bei einigen von ihnen zu der paradoxen Schlussfolgerung geführt, dass sie älter als das Universum sind. Der Astrophysiker Thomas Tauris vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie und dem Argelander-Institut für Astronomie in Bonn konnte dieses Paradoxon mit Computersimulationen lösen.
Abb.: Die vom Begleitstern (außerhalb des oberen Bildrandes) einströmende Materie bildet eine Scheibe um den Millisekundenpulsar, die am inneren Rand von dessen Magnetfeld abgeschnitten wird. (Bild: Nasa GSFC, D. Berry)
Pulsare sind schnell rotierende Neutronensterne. Sie sind Überreste von Sternen, die am Ende ihres Lebens ihren Brennstoff verbraucht haben und deren Zentralbereiche in sich zusammenbrechen. Die hierbei entstehenden Sternleichen besitzen extrem starke Magnetfelder, die wie bei der Erde zwei Pole besitzen. Ähnlich wie ein sich drehender Leuchtturm sendet ein Pulsar entlang der Magnetfeldachse Strahlung aus. Dadurch verlieren die Pulsare Energie und ihre Rotationsgeschwindigkeit nimmt ab. Im Jahr 1982 entdeckten Astronomen aber einen Pulsar, der für sein hohes Alter viel zu sehr schnell rotierte. Seitdem wurden rund 200 weitere solche Millisekundenpulsare mit Rotationsperioden zwischen 1,4 und 20 Millisekunden.
Die Ursache ist in solchen Systemen stets ein Begleitstern. Dieser umkreist den Pulsar in relativ geringem Abstand, sodass er seine äußeren Gasschichten verliert. Diese Materie strömt zu dem Pulsar hinüber, sammelt sich zunächst in einer Scheibe um ihn herum an und fällt von dort auf ihn hinunter. Dabei prallt das Plasma auf das mit dem Pulsar rotierende Magnetfeld und stößt es an, ähnlich wie Wasser, das auf die Räder einer Mühle strömt. Dabei überträgt es Drehimpuls auf den Pulsar und beschleunigt dessen Rotation bis in den Millisekundenbereich.
Irgendwann hat der Begleitstern seine äußere Hülle verloren und der Materiestrom versiegt. Nun nimmt auch die Rotationsgeschwindigkeit des Pulsars langsam wieder ab. In der Vergangenheit hatten Astronomen jedoch Millisekundenpulsare gefunden, die so langsam rotierten, dass sie für das Abbremsen auf die niedrige Rotationsgeschwindigkeit mehr Zeit als das Weltalter von 13,7 Milliarden Jahren benötigt haben müssten. Ein Paradoxon, das Thomas Tauris nun gelöst hat.
Er fragte sich, was während jener Endphase passiert, in der der Gasstrom des Begleitsterns auf den Pulsar versiegt. In seiner Rechnung nahm Tauris einen Pulsar an, den ein Stern umkreist. Fast eine Milliarde Jahre lang füttert der Begleiter den Pulsar und treibt dessen Umdrehung an. Dann versiegt der Gasstrom langsam. Nach weiteren 170 Millionen Jahren hat der Begleiter Dreiviertel seiner Masse an den Pulsar abgegeben und der Vorgang endet. In dieser Übergangsphase weitet sich das Magnetfeld des Pulsars aus, sodass dessen Außenbereiche schneller umlaufen, als das von außen einfallende Gas. Die Folge: Das Gas wird von dem Magnetfeld ins All geschleudert, was zu einer Abbremsung der Pulsarrotation führt. Astrophysiker sprechen von der Propellerphase, weil das einfallende Material ähnlich wie bei einem Propeller herausgeschleudert wird.
Tauris konnte mit seinen Rechnungen zeigen, dass Millisekundenpulsare ungefähr die Hälfte ihrer Rotationsenergie während der Propellerphase verlieren, was mit Beobachtungsergebnissen gut übereinstimmt. Damit löst sich auch das Altersparadoxon: Bei den bisherigen Altersbestimmungen ging man von einer langsamen Abbremsung der Rotation aus, die einzig auf die Emission von Strahlung zurückgeführt wurde. Der nicht berücksichtigte Propellereffekt verlangsamt Millisekundenpulsare jedoch zusätzlich.
Nicht zuletzt hatten sich Astrophysiker auch gefragt, warum es keine Pulsare mit Perioden von weniger als einer Millisekunde gibt, die sich also mehr als tausend Mal pro Sekunde um die eigene Achse drehen. Theoretisch war dies nicht ausgeschlossen. Nach Tauris’ Simulationen verhindert der Propellereffekt derart hohe Rotationsgeschwindigkeiten.
MPG / OD
