Pulsare

• scharfe, regelmäßige Radiopulse

1967 zufällig entdeckt von Jocelyn Bell und Antony Hewish (PSR 1919+21 T = 1.33 s)

• Periodendauern: einige ms bis einige s

• Pulsbreiten < 1ms

• erste Annahme:

Radiosignale von intelligenten Wesen

Pulsar\Sound PSR B0329+54.au

Zur Entdeckung

Zwei Arten von Pulsaren

Statistik zeigt zwei Gruppen von Pulsaren:Rotationsdauern -ab 20ms Magnetfeld: B um 108 T Bsp.: Pulsar im Krebsnebel T=33ms-1ms bis 20ms Magnetfeld: B um 105 T Bsp.: 1987 in M82 entdeckt T=3,054 ms

log( T / s )

Anz

ahl

• Kurze Pulsdauer

kleine Quelle

(Licht benötigt die Zeit 2R/c von einer Seite des Sterns zur anderen)

• Entfernungsbestimmungdurch Radiointerferometriezeigte, dass abgestrahlteLeistung enorm groß ist

Quelle der Signale?

Kompakte Objekte mit sehr großer Energiemögliche Quelle: schnell rotierende Neutronensterne

10°-25°

Insgesamt nur wenige Pulsare direkt in Supernovaüberresten entdeckt,

-einige Pulsare werden nicht gesehen,

-anderer Fall: Supernovaexplosion sehr asymmetrisch, Pulsar, wenn vorhanden, evtl. in weiterer Umgebung zu finden

Krebsnebel

Entstehung eines Pulsars

2 RBS

Supernova- Explosion-Großteil der äußeren Hülle wird abgestoßen-Rest: Gravitationskraft führt zum Kollaps

T10 2OBS

m107 8R

ms4.0T

T108OBS

T ≈ 26 Tagean der Oberfläche

R ≈ 10 km

M ≈ 1,4 -3 M

2RT

M ≈ 15M

M

RT

3

8 32

1ms1T

Kollaps eines rotierenden Sterns der Masse M

mit Radius R, Winkelgeschwindigkeit und

Drehimpuls

Drehimpulserhaltung bei Verkleinerung des Radius nimmt dieWinkelgeschwindigkeit zu

Rotationsenergie:

Größenordnung 1044 J (abgestrahlte Energie der Sonne während ihres gesamten Lebens)

2

5

2MRL

2 RBS

2RT Rotationsdauer:

Magnetische Flussdichte:

2

2222

4

5

5

1

2

1

MR

LMJErot

2211 BFBF BF

:erhalten sGesamtflus

weil Stern auseinanderfliegen würde,wenn Erot größer als Ekin ,und somit:

Flusserhaltung unendliche Leitfähigkeit

Pulsar verliert RotationsenergieAbbremsung (Verlust an Rotationsenergie) entspricht dem Energieverlust durch Emission von magnetischer Dipolstrahlung:

2426

223

40

sin3

2

2

1

6

BR

Jdt

d

cdt

dEmT

p

mTp

323

30

6

K

Jcc mT p

Komponente des magnetischen Moments senkrecht zur Rotationsachse

nK allgemein:

n: Bremsparameter, bestimmbar über:

222

T

TTn

(siehe Herzscher Dipol)

10 8 T

10 6 T10

6 yr

1010 yr

T (s)

log 10

T

·

Crab: n = 2.515 ± 0.005 PSR 1509-58: n = 2.8 ± 0.2 PSR 0540-69: n = 2.01 ± 0.02

Messungen von ‘ ergebenaber folgende Werte für n:

n ist nicht 3 andere Bremsmechanismen sind am Werk

Gravitationswellen?

sind möglich, lösen das Problem aber nicht, denn wenn nur Bremsung durch magn. Dipolstrahlung und Grav. Wellen, müsste eher n>3 sein

Idee: n<3, wenn angenommen, dass Trägheitsmoment J des Sterns sich ändert, veränderte Zentrifugalkräfte rufen durch Formänderung des Sterns Veränderung der Rotationsperiode hervor

Altersbestimmung von Pulsaren

Integration der Formel:

nach der Zeit ergibt für das Alter eines Pulsars:

nK Bsp.: Pulsar im Krebsnebel

mit T= 33ms

T‘=3,7 . 10-13

und n=3

Demnach müsste der Pulsar etwa 1400 Jahre alt sein, was von der Größenordnung schon übereinstimmt.

Das „echte“ Alter ist seit Beobachtung der Supernova- Explosion, 950 Jahre

Tn

T

KnT

nP

)1()1(

11

Plasma umgibt Neutronensterne

im Sterninneren verschwindet die Lorentz-

Invariante E.B, außerhalb des Sterns muss

gelten

Kein dynamisches Gleichgewicht, wenn

Vakuum den Stern umgäbe anstelle von Plasma

0BE

0BETeilchen werden entlang Eparallel beschleunigt, wenn

Inneres des Sterns: perfekter Leiter, Lorentzkraft verschwindet:

Rrc

,0)(1

BrωE

Magnetosphäre

ausströmen Elektronen :0 ,0 Φ

Neutronenstern mit Radius R und magnetischem Dipolfeld B

Innerhalb des Lichtzylinders rotiert B mit dem Stern mitRotationsfrequenz

el. Potential wie im interstellaren Medium

cc

Φ

rsin :mit

1

1

24

1

durch E von gAbschirmun Totale

umgegeben Plasmaist von Stern der

ausströmen

Teilchen geladene pos. :0 ,

2

0

BωE

eerB r sincos22

)(3

0

r

RB

Beobachtete Strahlungsarten und dafür relevante Prozesse

Synchrotronstrahlung und Krümmungsstrahlung,

beide haben breites, kontin. Spektrum

Paarproduktion

+ e+e-

e+e- (bei starken Magnetfeldern)

Inverse Compton-Streuung

e+ e+ bzw.: e- e-

Infrarot- oder optische Photonen streuen an

ultrarelativistischen Elektronen,

das ergibt langsameres

Elektron/Positron und im

TeV- Bereich

Elektromagnetische KaskadenEntstehen in Lücken in der Magnetosphäre

CR: KrümmungsstrahlungSR: SynchrotronstrahlungPP: PaarbildungIC: Inverse Comptonstreuung

Beobachtung: gepulste GeV- Emission

Frequenz, Intensität und Ausdehnung d. EM- Kaskaden bestimmen Pulsprofile, Pulsspektren und Strahlbreiteman schließt daraus auf Größe und Geometrie plasmafreier Lücken (Gaps) in verschied. Modellen

Outer Gap Modell

•Schiefer Rotator• ein- und ausfließende Ströme erzeugen „Gaps“ (plasmafreie Lücken) unterhalb der „Null Surface“, erstrecken sich bis zum Lichtzylinder

•resultierendes E II B im Gap beschleunigt Teilchen (auf relativistische Geschwindigkeiten)

•keine B- Paarproduktion, sondern Paarbildung durch Photonen aus CR

•TeV Emissionen wurden vorausgesagtHerabsenken der oberen Grenze für die Beobachtung von TeV- Emissionen wäre ein „letzter Beweis“ für die Gültigkeit des Modells

Polar Cap Modell

•dicht über Polkappe bildet sich GapUrsache: Ionenbindung des Materials in der äußeren Kruste des Neutronensterns

•Raumladung begrenzt Ausströmung

•Starkes Eparallel im Gap (Potentialdifferenzen von 1011V)

•e+/e- Paarproduktion durch Photonen, die ins Gap gelangenElektromagnetische Kaskade, erklärtKohärente Mikrowellen- und Radiostrahlung

TeV- Photonen werden durch inverse Comptonstreuung erzeugt, können aber nicht beobachtet werden, da sie wieder absorbiert werden

• trotz extremer Kürze der Periode nichtnotwendigerweise sehr junge Pulsare entweder zeigen sie praktisch keinePeriodenzunahme, oder sie sind Komponentenvon Doppelsternsystemen und erfuhren eineRotationsbeschleunigung durchMassenaustausch

• Vermutung: die meisten gehören zu Binärsystemen

• Modell: Pulsar zieht von einemRiesenstern Materie ab und es bildet sich eine Akkretionsscheibe

nimmt Pulsar die Materie auf, gewinnt er dadurch höhere Rotationsenergie (Drehimpulsübertragung an Pulsar, spin- up- Phase*)

spin down geschieht dann ebenfalls wg. magnetischer Dipolstrahlung

Materie Plasma, verteilt sich an Akkretionsscheibe um Pulsar (durch starkes Magnetfeld)

Millisekunden- Pulsare

Plasma in Akkretionsscheibe: bewegt sich auf langsam sinkenden Kepler- Bahnen bis es in den Bereich magnetischer Dominanz kommt

Ausblick

Grundlegende Fragen noch ungeklärt,

• z.B. das eigentliche Entstehen der Radiostrahlung

• Unerwarteter Verlauf des Spektrums nach Aufnahme von 7mm- und 3mm- Linie

(Strahlung entsteht nah der Pulsaroberfläche)

• Polar Cap und Outer Gap Modell werden derzeit untersucht (TeV- Emissionen)

• Gravitationswellennachweis durch Beobachtung von Pulsaren?

Quellen und weiterführende Literatur

• Goldreich/ Julian: „Pulsar Electrodynamics“, The Astrophysical Journal, Vol. 157, August 1969

• Lonhair: “High Energy Astrophysics”• Demtröder: Experimentalphysik 4, Kern-, Teilchen- und Astrophysik• Norman K. Glendenning: “Compact Stars”

• Radio Pulsar People and Places: http://pulsar.princeton.edu/rpr.shtml

Outer Gap:• Ruderman, M. A., and Sutherland, P. G. 1975 ApJ 196,51• Daugherty, J. K., and Harding, A. K. 1982 ApJ 252,337

1996 ApJ 458,278Polar Cap• Cheng/Ruderman 1986a ApJ 300,500

1986b ApJ 300,522• Hirotani, K. 2001 ApJ 549,495