Radiosignale aus dem Randbereich

Pulsare senden regelmäßig Radiowellen und manchmal auch Gammastrahlen in Strahlungskegeln aus, die den Himmel überstreichen. Eine besondere Klasse namens Millisekundenpulsare dreht sich hunderte Male pro Sekunde und gehört zu den präzisesten Uhren im Universum. Bislang gehen die Forschenden davon aus, dass die Radiosignale eines Pulsars nur in der Nähe seiner Oberfläche, nahe seinen Magnetpolen, entstehen. Eine neue Studie stellt diese lang gehegte Vorstellung jetzt in Frage.

Michael Kramer vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR) in Deutschland und Simon Johnston von der australischen nationalen Wissenschaftsagentur CSIRO analysierten Radiobeobachtungen von fast zweihundert Millisekundenpulsaren und verglichen sie mit Gammastrahlen-Daten. Das Duo entdeckte in diesem großen Datensatz etwas Auffälliges: Etwa ein Drittel der Millisekundenpulsare zeigt Radiosignale, die aus zwei oder mehr völlig getrennten Regionen stammen, mit strahlungsfreien Lücken dazwischen. Nur etwa drei Prozent der langsamer rotierenden Pulsare verhalten sich so. Noch auffälliger ist, dass viele dieser isolierten Radiopulse perfekt mit den vom Fermi-Satelliten der NASA detektierten Gammastrahlen übereinstimmen und demzufolge aus derselben extremen Umgebung kommen.

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Präzisionstests mit Pulsaren

Um diese Muster zu erklären, müssten Radiowellen der Millisekundenpulsare an zwei sehr unterschiedlichen Orten entstehen: einem nahe den Magnetpolen des Sterns, wie traditionell angenommen, und einem anderen in einer kreisenden „Stromschicht“ (englisch: current sheet) knapp außerhalb des Lichtzylinders. Dieser befindet sich weiter entfernt als die Magnetpole und markiert die Grenze, an der starr mitrotierende Magnetfelder die Lichtgeschwindigkeit erreichen würden. Je nach Perspektive eines Beobachters auf den Pulsar sieht er Radiostrahlung entweder aus der Nähe der Oberfläche, aus der Ferne oder aus beiden Regionen. Dies führt zu den ungewöhnlichen, unterbrochenen Radiosignalen, die Forschende seit Jahren rätseln lassen. Es wird bereits angenommen, dass die Stromschicht aus geladenen Teilchen für die Gammastrahlung verantwortlich ist. Die Übereinstimmung zwischen Radio- und Gammastrahlen lässt sich durch diesen gemeinsamen Ursprungsort erklären.

Diese Entdeckung hat mehrere wichtige Konsequenzen: Möglicherweise sind mehr Pulsare nachweisbar als bisher angenommen, weil die Radiostrahlung wahrscheinlich nicht auf einen schmalen Kegel in der Nähe der Magnetpole beschränkt ist. Stattdessen breitet sie sich in mehrere Richtungen aus. Auch lässt sich erklären, warum Astronominnen und Astronomen oft Schwierigkeiten haben, die Polarisation (Schwingungsrichtung) der Radiowellen von Millisekundenpulsaren zu interpretieren. Darüber hinaus deutet der Fund darauf hin, dass fast alle Gammastrahlen-Millisekundenpulsare auch Radiowellen aussenden, selbst wenn diese Signale schwach oder schwer zu erkennen sind. Dies stellt die Theorie vor neue Herausforderungen: Wissenschaftler müssen nun erklären, wie so weit entfernt vom Stern, in einer extremen und turbulenten Umgebung, stabile Radiopulse erzeugt werden können.

„Millisekundenpulsare sind wichtige Werkzeuge für das Erforschen der Gravitation, dichter Materie und sogar Gravitationswellen. Zu verstehen, woher ihre Signale kommen – und warum diese so aussehen, wie sie aussehen – ist unerlässlich, um sie als Präzisionsinstrumente zu verwenden“, erklärt Kramer. Johnston fügt hinzu: „Diese Studie zeigt, dass diese winzigen, schnell rotierenden Sterne noch komplexer und überraschender sind, als wir dachten, weil sie sowohl von ihrer Oberfläche als auch vom äußersten Rand ihres magnetischen Einflussbereichs Signale aussenden.“ [MPIfR / dre]