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| PRI (MPIfR) 02/2010 (1) | Presseinformation | 19. Februar 2010 |
Der erst 2009 gegründeten Forschungsabteilung "Radioastronomische
Fundamentalphysik" von Michael Kramer am Bonner
Max-Planck-Institut für Radioastronomie
ist ein bedeutender Erfolg gelungen. Wenige Wochen, nachdem ein
Pulsar-Suchprogramm mit
dem 100-Meter-Radioteleskop in Effelsberg aufgenommen worden war, konnte
im Januar 2010
bereits der erste "Millisekunden-Pulsar" gefunden werden.
Der Pulsar, der die vorläufige Bezeichnung PSR J1745+10
erhalten hat, wurde auf der Position einer mit dem NASA-Weltraumteleskop FERMI
entdeckten Gammastrahlungs-Punktquelle gefunden und ist
in mehrfacher Hinsicht
interessant. Es handelt sich um einen besonders schnell
rotierenden Pulsar, der sich in nur 2,65 Millisekunden einmal um seine eigene
Achse dreht (das sind fast 23000 Umdrehungen pro Minute).
Dieser Pulsar ist außerdem Teil eines Doppelsternsystems.
Erste Folgemessungen
haben bereits gezeigt,
dass er sich in weniger als 18 Stunden mit seinem Begleiter um den
gemeinsamen Schwerpunkt bewegt. Und der Begleitstern scheint extrem
leicht zu sein. Das lässt vermuten, dass es sich um einen
sogenannten "Schwarze-Witwe-Pulsar" handelt,
der mit seiner hochenergetischen Strahlung seinen Begleitstern
im Lauf der Zeit fast vollständig verdampfen wird.
Abbildung 1:
Position des mit dem 100-m-Radioteleskop Effelsberg
neu entdeckten Millisekundenpulsars, markiert auf einer Himmelskarte der
mit dem FERMI-Satelliten gemessenen Gammastrahlung.
Die stärkste Gammastrahlung kommt dabei aus dem Galaktischen Zentrum
(Bildmitte); die stärksten Einzelquellen im Gammabereich sind
leuchtkräftige Pulsare und supermassereiche Schwarze Löcher in den
Zentren aktiver Galaxien.
Bild: NASA/DOE/Fermi LAT Collaboration.
Am Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR) in Bonn wurde 2009 ein Projekt ins Leben gerufen, mit dem 500 oder mehr neue Pulsare entdeckt werden sollen. Dabei werden zwei Strategien verfolgt. Die erste ist ein so genannter "All-Sky-Survey", bei dem mit Hilfe eines Empfangssystems für 21 cm Wellenlänge am 100-m-Radioteleskop Effelsberg der ganze nördliche Himmel abgesucht wird. Der Empfänger, ein 7-fach-System zur gleichzeitigen Beobachtung von sieben benachbarten Positionen am Himmel, und auch das angeschlossene Instrument, das mit hoher Zeitauflösung die Signale aller Positionen aufnimmt (ein sogenanntes FFTS-Spektrometer), sind Eigenentwicklungen aus den technischen Abteilungen des MPIfR. Die anfallende Datenmenge, die nach Pulsar-Signalen durchsucht werden muss, stellt selbst für modernste Computersysteme eine gewaltige Herausforderung dar. Dazu werden in enger Zusammenarbeit mit dem Albert-Einstein-Institut (AEI) Lösungen erarbeitet, wie z.B. mit dem "Einstein@Home"-Projekt die nötigen Rechenkapazitäten zur Verfügung gestellt werden können.
Parallel dazu wird eine zweite Strategie verfolgt. Das im Juni 2008 gestartete NASA-Weltraumteleskop für Gammastrahlung, FERMI, hat am Himmel eine Reihe von Punktquellen entdeckt, bei denen es sich mit großer Wahrscheinlichkeit um Neutronensterne handelt. Die Punktquellen werden derzeit mit den größten Radioteleskopen der Welt systematisch nach pulsierenden Radiosignalen abgesucht. 17 dieser FERMI-Quellen konnten bereits als Radio-Pulsare identifiziert werden. Seit kurzem beteiligt sich auch das Forschungsteam von Michael Kramer am MPIfR mit Hilfe des 100-m-Radioteleskops in Effelsberg an dieser Suche und konnte bereits nach wenigen Wochen den ersten Erfolg vermelden. "Wir sind erst am Anfang bei der Untersuchung der Gammastrahlungsquellen, aber trotzdem: Bingo - da geht uns ein Pulsar ins Netz", sagt Ewan Barr, der den neuen Pulsar am 29. Januar 2010 in seinen Beobachtungsdaten entdeckt hat. Nach seiner Position am Himmel, im Sternbild Ophiuchus (Schlangenträger), erhielt der Pulsar die Bezeichnung PSR J1745+10 (Abb. 1).
Pulsare sind extrem stark magnetisierte, rotierende Neutronensterne, die bei der Explosion von massereichen Sternen als Supernovae entstanden sind. Die in Form einzelner Pulse ankommenden Signale resultieren aus einem Leuchtturmeffekt, bei dem ein gebündelter Radiostrahl entlang der magnetischen Pole ausgestrahlt wird. Die magnetische Achse ist gegen die Rotationsachse geneigt, so dass der Strahl einmal pro Rotation über die Erde streicht. Bis heute kennt man rund 2000 Pulsare, die überwiegend mit Hilfe von Radioteleskopen entdeckt wurden. Der in Effelsberg entdeckte Pulsar ist ein besonders schnell rotierender Pulsar, der sich in nur 2,65 Millisekunden einmal um seine eigene Achse dreht. "Das sind fast 23000 Umdrehungen pro Minute, also deutlich mehr als bei einem Formel-1-Rennwagen", erklärt Lucas Guillemot, der die Pulsar-Suche auf Fermi-Positionen am MPIfR koordiniert. "Man spricht in diesem Fall von einem Millisekunden-Pulsar."
Die Rotationsdauer von Millisekunden-Pulsaren liegt typischerweise unter 10 Millisekunden und ihre Rotationsstabilität ist mit dem Gang der genauesten irdischen Atomuhren vergleichbar. Es handelt sich dabei um so genannte "recycelte" Pulsare, also Neutronensterne, die sich zunächst sehr langsam um ihre eigene Achse gedreht haben, dann aber durch den Materiefluss von einem Begleitsterns in ihrer Rotation nahezu 1000-fach beschleunigt wurden. Das Ende dieses Prozesses ist ein Doppelsternsystem, das aus einem Millisekunden-Pulsar und einem Weißen Zwerg besteht. Etwa 20 dieser Millisekunden-Pulsare in Doppelsternsystemen haben Begleiter, deren Masse nur wenige Hundertstel einer Sonnenmasse beträgt. "Solche Pulsare nennt man "Schwarze-Witwe-Pulsare", denn wir gehen davon aus, dass der Pulsar dabei ist, seinen Begleiter mit seiner hochenergetischen Strahlung zu verdampfen. Man könnte fast sagen, das sei ein wenig undankbar, da der Begleiter den Millisekunden-Pulsar erst durch die Massenübertragung auf solch hohe Drehgeschwindigkeiten gebracht hat", so Michael Kramer. "Nach der kompletten Verdampfung des Partners existiert der Millisekunden-Pulsar als Einzelstern weiter, ganz ohne Begleiter."
Neben der Untersuchung der Entwicklung von Pulsaren ist es ein wichtiges Ziel, eine möglichst große Zahl an Millisekunden-Pulsaren gut verteilt über den gesamten nördlichen Himmel zu entdecken. Dies wäre ein großer Beitrag zu den weltweiten Anstrengungen, Gravitationswellen direkt zu detektieren. Während derzeitige irdische Gravitationswellendetektoren wie LIGO in den USA, das französisch-italienische VIRGO-Projekt oder GEO600 in der Nähe von Hannover diese Schwingungen des Raumes in Frequenzbereichen von 10 bis 1000 Hertz suchen, sind Experimente mit Millisekunden-Pulsaren dazu geeignet, Gravitationswellensignale im Nanohertz-Bereich zu detektieren, also mit Schwingungsperioden von einigen Jahren. Numerische Simulationen, wie sie z.B. am Albert-Einstein-Institut durchgeführt werden, zeigen, dass die stärksten Gravitationswellensignale im Nanohertz-Bereich von Systemen erwartet werden, die aus zwei supermassereichen Schwarzen Löchern von jeweils etwa einer Milliarde Sonnenmassen bestehen, die sich in Zeiträumen von wenigen Jahren umkreisen. Die von diesen Systemen verursachten wellenförmigen Verzerrungen des Raumes führen zu Schwankungen in den Ankunftszeiten der Pulsar-Signale, die man versucht, mit Hilfe der größten verfügbaren Radioteleskope der Erde nachzuweisen. Dazu Bruce Allen, Direktor am AEI in Hannover: "Tatsächlich könnten die Pulsar-Forscher das weltweite Rennen um die erste direkte Detektion von Gravitationswellen gewinnen. Es wird spannend!"
Das 100-m-Radioteleskop in Effelsberg (Abb. 2) bildet das Rückgrat des "Pulsar Timing Arrays", einer gemeinsamen europäischen Initiative, bei der in der Hochphase des Experiments alle großen Radioteleskope in Europa zu einem riesigen virtuellen 200-Meter-Teleskop zusammengeschaltet werden.
Abbildung 2:
Das 100-m-Radioteleskop Effelsberg des Bonner Max-Planck-Instituts für
Radioastronomie bei Nacht. Mit diesem Teleskop wurde der neue
Millisekundenpulsar bei einer Wellenlänge von 21 cm entdeckt.
Foto: Norbert Tacken, MPIfR
(Bitte Anklicken für höhere Auflösung!).
FERMI Satelliten-Observatorium: Das am 11. Juni 2008 gestartete Weltraum-Observatorium "FERMI" ist ein Weltraumteleskop der NASA zur Erforschung des Universums im hochenergetischen Gamma-Wellenlängenbereich. Die Mission wurde von der NASA in Zusammenarbeit mit dem "Department of Energy" (DOE) entwickelt, mit wichtigen Beiträgen von akademischen Partnern und Institutionen in Frankreich, Deutschland, Italien, Japan, Schweden und den USA.
Europäisches Pulsar-Netzwerk (EPN): Das EPN setzt sich zusammen aus einer Gruppe von europäischen Forschungseinrichtungen, die alle Pulsarforschung betreiben, und wird durch ein Forschungsstipendium der Europäischen Kommission unterstützt. Die Mitgliedsinstitute sind in Deutschland, Großbritannien, Italien, Griechenland, Frankreich und den Niederlanden angesiedelt. Für Beobachtungen im Rahmen des EPN kommen die größten Radioteleskope in Europa zum Einsatz.
Einstein@home: Ursprünglich von Bruce Allen an der Universität von Wisconsin in Milwaukee gestartete Initiative zur Analyse umfangreicher Daten von Gravitationswellendetektoren, auf der Basis von verteiltem Rechnen an meist privaten ans Internet angeschlossenen Computern (analog zum bereits früher gestarteten "seti@home"-Projekt). Bruce Allen ist mittlerweile Direktor am Albert-Einstein-Institut in Hannover.
Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR) und Forschungsabteilung Radioastronomische Fundamentalphysik.
100-m-Radioteleskop Effelsberg.
Albert-Einstein-Institut (AEI bzw. Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik) mit Institutsstandorten in Potsdam/Golm und Hannover.
FERMI Satelliten-Observatorium zur Erforschung des Himmels in Gamma-Wellenlängen.
Einstein@Home Analyse von Gravitationswellen.
Pulsare als kosmische Uhren (Michael Kramer),
Sterne und Weltraum 10/2006, Seite 30-38.
Nature's Most Precise Clocks May Make "Galactic GPS" Possible,
NASA Press Release January 05, 2010 (in englischer Sprache).
Prof. Dr. Michael Kramer,
Direktor und Leiter der Forschungsabteilung "Radioastronomische Fundamentalphysik",
Max-Planck-Institut für Radioastronomie, Bonn.
Fon: +49-228-525-278
Fax: +49-228-525-436
E-mail: mkramer (at)
mpifr.de
Dr. Norbert Wex,
Max-Planck-Institut für Radioastronomie, Bonn.
Phone: +49-228-525-503
Fax: +49-228-525-436
E-mail: nwex (at)
mpifr.de
Dr. Norbert Junkes,
Öffentlichkeitsarbeit,
Max-Planck-Institut für Radioastronomie, Bonn.
Phone: +49-228-525-399
Fax: +49-228-525-438
E-mail: njunkes (at)
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