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Eine exzellente Zeit mit Pulsaren

| Max-Planck-Institut

Die Korrektur von Rotationsinstabilitäten macht Pulsare zu den besten Uhren im Universum

Ein internationales Team von Astronomen, darunter Michael Kramer vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn, hat das Verhalten einer bestimmten Art kosmischer Uhren untersucht und dabei ein Verfahren entdeckt, das sie zu den mit Abstand genauesten Zeitmessern im Universum werden lässt. Die Wissenschaftler erzielten diesen Durchbruch mit Hilfe von Messreihen der Radiosignale eines extremen Typs von Sternen, nämlich Pulsaren, beobachtet mit dem 76-m-Lovell-Radioteleskop am englischen Jodrell-Bank-Observatorium, die sich mittlerweile über einen Zeitraum von mehreren Jahrzehnten erstrecken. Mit der dadurch ermöglichten hochpräzisen Vermessung der am schnellsten rotierenden Pulsare sollte es auch gelingen, die Signale von Gravitationswellen als Änderungen der Struktur der Raumzeit direkt zu erfassen.

Abbildung 1: Schematische Darstellung eines Pulsars. Pulsare stellen die genauestgehenden natürlichen Uhren dar, die bis jetzt überhaupt bekannt sind. Bei Anklicken des Bilds erscheint eine Animation (MPG-Format), die die Pulse in zwei verschiedenen Zuständen des Pulsars zeigt. Pulsare scheinen zwischen diesen Zuständen zu wechseln, die sich durch die Anzahl der geladenen Teilchen unterscheiden, die von der Oberfläche ins All fliegen. Diese Änderung im Stromfluss ist durch eine Veränderung der Pulsform detektierbar, d.h. der Pulsar bremst schneller ab, wenn der Strom stark ist, und langsamer, wenn der Strom schwach ist.
Bild & Animation: M. Kramer, MPIfR.

Pulsare sind seit ihrer erstmaligen Entdeckung im Jahr 1967 vor allem im Bereich der Radiofrequenzen sehr genau untersucht worden. Ihre extrem hohe Rotationsstabilität, d.h., die Genauigkeit, mit der sie die Dauer einer Drehung um ihre Achse einhalten, hat unter anderem zur Entdeckung der ersten extrasolaren Planeten geführt und ermöglicht eine Reihe von Tests zur Überprüfung unserer Theorien über das Universum. Allerdings ist diese Rotationsstabilität nicht perfekt, wobei bis heute irreguläre Effekte in ihrem Umlauf die Verwendung als hochpräzise Zeitmesser erheblich einschränken.

Das Forscherteam, angeführt von Andrew Lyne, hat Beobachtungen von Pulsaren mit dem 76-m-Lovell-Radioteleskop dazu verwendet, diese Abweichungen systemtisch zu untersuchen und dabei eine Methode entdeckt, mit der man sie korrigieren kann. "Die besten Uhren, die der Menschheit zur Verfügung stehen, benötigen alle eine Korrektur, z.B. für die Effekte von schwankenden Temperaturen, unterschiedlichem atmosphärischem Druck, Feuchtigkeit oder dem lokalen Magnetfeld", sagt Andrew Lyne. "Hier in unseren Beobachtungen haben wir vielleicht eine Methode gefunden, unsere astrophysikalischen Uhren, die Pulsare, zu korrigieren."

Die Umdrehungsgeschwindigkeit, mit der die Pulsare um ihre Achse rotieren, nimmt sehr langsam ab. Dabei haben die Wissenschaftler herausgefunden, dass Abweichungen in dieser Messgröße vor allem dadurch entstehen, dass es zwei unterschiedliche Raten in der Verlangsamung gibt und nicht nur eine, und dass die Pulsare zwischen beiden Raten in der Verlangsamung hin- und her wechseln, und das abrupt und recht unvorhersehbar. "Diese Wechsel stehen im Zusammenhang mit der Form der Pulse oder Ticks, die der Pulsar aussendet", so beschreibt George Hobbs die zweite wichtige Entdeckung des Forscherteams. "Deshalb brauchen wir hochpräzise Messungen der Pulsform über eine möglichst lange Zeitsequenz - so können wir die Abnahme der Pulsperiode extrem genau bestimmen und daraus einen "Korrekturfaktor" für den jeweiligen Pulsar ableiten. Damit wird die Ganggenauigkeit der Pulsaruhren nochmals erheblich gesteigert."

"Unsere Ergebnisse ermöglichen einen völlig neuen Zugang zu den extremen Bedingungen in der Umgebung von Neutronensternen", sagt Michael Kramer. "Sie haben das Potential, unsere ohnehin schon sehr präzisen Vermessungen der Gravitation nochmals entscheidend zu verbessern." Michael Kramer, Direktor am Max-Planck-Institut für Radioastronomie und Leiter der Forschungsgruppe "Radioastronomische Fundamentalphysik", erhält für seine wissenschaftlichen Entdeckungen bei der Erforschung von Neutronensternen den Akademiepreis 2010 der Berlin-Brandenburgischen Akademie der Wissenschaften.

Die Forscher hoffen, dass die neuen Erkenntnisse über die Verlangsamung der Pulsperiode von Pulsaren die Wahrscheinlichkeit erhöht, mit Hilfe der am schnellsten rotierenden Pulsare endlich die ersten Gravitationswellen direkt in der Struktur der Raumzeit nachzuweisen. "Weltweit haben schon viele Observatorien versucht, über Pulsare diejenigen Gravitationswellen nachzuweisen, die bei der Bildung von supermassereichen Schwarzen Löchern im Universum gebildet werden", so Ingrid Stairs. "Mit unserer neuen Technik sollten wir in der Lage sein, die Signale von Gravitationswellen zu erfassen, die im Moment noch in den Unregelmäßigkeiten des Pulsarsignals versteckt bleiben."

Abbildung 2: Das Lovell-Teleskop des englischen Jodrell-Bank-Observatoriums, mit einem Durchmesser von 76 m immer noch das drittgrößte voll bewegliche Radioteleskop der Erde. Die langjährigen hier beschriebenen Pulsar-Beobachtungsreihen wurden mit diesem Teleskop durchgeführt.
Foto: Jodrell Bank Centre for Astrophysics, University of Manchester.

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