Pulsare und ihre Bedeutung f√ľr die Physik

Gliederung:

1. Geschichte der Pulsare und ihre Entdeckung

2.1 Entstehung von Sternen allgemein
2.2 Entstehung der Neutronensterne als Endstadium von Sternen

3. Rotation der Neutronensterne

4.1 Pulsare als nat√ľrliche Synchrotronmaschinen
4.2 Entstehung einer langwelligen Strahlung, in Umgebung des Pulsars
4.3 Entstehung der Radiostrahlung
4.4 Entstehung der optischen, Röntgen - und Gammastrahlung

5.1 Pulsare und ihre Bedeutung f√ľr die Grundlagenphysik
5.2 Bedeutung f√ľr Physik der kosmischen Strahlung

6. Mangelende Beweisbarkeit mancher Theorien

















1. Im Februar 1968 brachte die englische Zeitschrift "Nature" einen Artikel √ľber
eine "rasch pulsierende Radioquelle", die eine Gruppe von Radioastronomen
der Universität Cambridge ein Jahr zuvor entdeckt hatten. Man fand im Stern -
bild Vulpecula eine Art "kosmischen Leuchtturm", der mit einer Regelmäßig -
keit von 1,3372795 ¬Ī 0,000 0020 s ein Signal aussendet.
Allerdings variiert dieser Wert von Jahr zu Jahr aufgrund des Dopplereffekts,
der von der Geschwindigkeit der Erdbewegung (Rotation plus Bahnbewegung um die Sonne) in Richtung zur Radioquelle abh√§ngt. Bewegt sich z.B die Erde auf die Quelle zu, so stellt der irdische Beobachter eine etwas gr√∂√üere Zahl an Pulsen pro Zeiteinheit fest, d.h somit verkleinert sich die scheinbare Periode. Die Entdeckung fand mittels der Radioastronomie statt, die es erlaubt die Signale von au√üerirdischen Objekten in elektrische Impulse umzuwandeln. Dazu war auch ein enormer technischer Aufwand n√∂tig; man baute eine Antenne die aus 2048 kleinen Dipolen bestand und auf einer Fl√§che von 470m mal 45m angeordnet war. Jeweils die H√§lfte der Dipole hatte man zu einer Komponente eines sog. Interferometers zusammengeschlossen, das mit der Frequenz f= 81,5 Mhz ( entspricht einer Wellenl√§nge von λ=307m) den Himmel abtastete. Diese Antennen wurden zu dem Zweck entwickelt, um die Gr√∂√üe und Geschwindigkeit von "Plasmaklumpen" im Raum zwischen den Planeten des Sonnensystems zu messen. Diese Plasmaklumpen sind irregul√§re, zeitabh√§ngige Schwankungen der Elektronendichte mit einen Durchmesser von etwa 100 km. Strahlungen weit entfernter Radioquellen bewirken in diesen Klumpen das Auftreten von Lichtblitzen, wenn eben diese Strahlung auf fluoreszierende Substanzen trifft (Szintillation).
Sehr bald schon bemerkte man eine Reihe von ungew√∂hnlichen Signalen, die man zun√§chst f√ľr St√∂rungen irdischen Ursprungs hielt. Nach Ausschaltung aller m√∂glichen Fehlerquellen kam man zu dem Schlu√ü, dass man einen vollkommen neuen Typ von au√üerirdischer Radiostrahlung gefunden hatte, dessen Quelle sich allerdings au√üerhalb des Sonnensystems befand.




2.1 1934 sagten die Astronomen Walter Baade und Fritz Zwicky die Existenz von Neutronensternen heraus, die aufgrund ihres au√üergew√∂hnlichen Erscheinungsbildes f√ľr die damalige Zeit eine physikalisch nicht begr√ľndbare
Hypothese waren. Neutronensterne besitzen eine Dichte von bis zu 10
und ein magnetisches Feld von bis zu 10 Tesla; das alles in einem Stern mit der Masse der Sonne jedoch mit nur 30 km Durchmesser.
Die Frage die sich die Wissenschaft zu dem Zeitpunkt stellte war, wie diese Sterne entst√ľnden und wie es m√∂glich sei diese riesige Masse auf einen so winzigen Raum zu verdichten.
Wollen wir zun√§chst einmal auf die Entstehung von Sternen allgemein eingehen: Sterne entstehen durch Kondensation von interstellarer Materie, dabei wird die vorhandene Gravitationsenergie dazu ben√∂tigt, um den Stern aufzuheizen. Wenn die Temperatur im Inneren 10K erreicht, setzen thermonukleare Reaktionen mit Wasserstoff ein, in der zun√§chst alle Spuren vom schweren Wasserstoff(Deuteriom) und leichteren Elementen wie Lithium und Beryllium zerst√∂rt werden. Bei etwa 10K wandelt sich dann der Wasserstoff mittels einer Fusionskette in He um. (In diesem Entwicklungsstadium befindet sich z. B. unsere Sonne). Wenn der Wasserstoff ausgebrannt ist, bleibt ein reiner Heliumkern √ľbrig, wobei sich das Wasserstoffbrennen auf die √§u√üeren H√ľllen des Sternes beschr√§nken, und so dem Kern neue Masse hinzugef√ľgt wird. Um den Energieverlust abzudecken, muss sich der stellare Kern zusammenziehen; dabei wachsen die Dichte und die Temperatur st√§ndig an bis zu etwa 10 K, wo dann das "Heliumbrennen" einsetzt 3 He → C .
Der entstandene Kohlenstoff reagiert teilweise mit Helium zu O. Bei noch höheren Temperaturen kann auch Sauerstoffbrennen auftreten.

2.2 Bei den letzten Phasen der Entwicklung gerät der Stern immer wieder in Gefahr die gravitative Anziehung nicht mehr im Gleichgewicht halten zu können und somit instabil zu werden. Bei sehr hohen Dichten und Temperaturen setzten dann Neutrinoprozesse ein, in denen Neutrinos ( Elementarteilchen ohne Ladung und möglicherweise ohne Masse bzw. sehr geringer Masse) und Antineutrinos aufgrund von Stößen von Elektronen mit Gammaquanten, irreversibel entstehen
e + γ → e + ν + ν.
Neutrinos besitzen aufgrund ihrer Eigenschaften eine geringe Wechselwirkung mit Materie, was dazu f√ľhrt, dass sie W√§rmeenergie vom Kern nach au√üen mitnehmen und somit der Stern instabil wird. Diese Instabilit√§t f√ľhrt zu einem Zusammenfall des stellaren Kerngebiets. W√§hrend die √§u√üeren Schichten des Sterns zur Mitte tendieren, bildet sich eine nach au√üen gerichtete Sto√üwelle aus, die die einfallenden Schichten in explodierende Materiebewegungen hinter der Sto√üwelle verwandelt. Gegebenenfalls, dass durch die Sto√üwelle genug Materie vom Kern ausgesto√üen wurde, expandiert die restliche Kernmaterie ein wenig und bildet so einen Neutronenstern im Gleichgewichtszustand. Andernfalls bleibt die Materie st√§ndig im Zustand des Zusammenfalls.
Die n√§chste Frage, die sich allerdings stellt ist, was im Neutronenstern selbst vorgeht. Der sowjetische Physiker Lew Landau untersuchte das Ph√§nomen der dichten Materie im Neutronenstern. Landau bediente sich dabei der Theorie des entarteten Gases, welches die Fermionen bei sehr hohen Dichten bilden. Diese Theorie wurde unter anderen auf Grundlage des Paulischen Ausschlie√üungsprinzips gebildet, welches besagt, dass sich die Fermionen[1] eines Gases in unterschiedlichen Zust√§nden befinden m√ľssen. Ein Zustand ist dabei im wesentlichen durch Lage und Impuls eines Teilchens bestimmt. Das bedeutet die Teilchen m√ľssen sich an verschiedenen Stellen im Raum aufhalten, was auch bei "normalen" Gas keine Schwierigkeiten mit sich bringt, weil der Platz vorhanden ist. Jedoch herrscht bei dem entarteten Gas ein so starkes Gedr√§nge, dass der mittlere Abstand der Teilchen mit atomaren Abst√§nden vergleichbar wird, etwa mit der de - Broglie - Wellenl√§nge h/mv. Die Gr√∂√üe der einem Teilchen zugemessenen Phasenraum, kann nicht beliebig klein gemacht werden, weil eben aufgrund der Heisenbergschen Unsch√§rferelation das Produkt aus Ortszellgr√∂√üe Δx und Impulszellgr√∂√üe Δp stets gr√∂√üer ist als das Plancksche Wirkungsquantum h
Δx • Δp ≥ h
Werden die Fermionen zusammengedr√ľckt, so sind die Teilchen gezwungen sich rascher zu bewegen, was nun wiederum wegen p= mv und der Tatsache, dass sich die Geschwindigkeiten im relativistischen Bereich befinden, zu sehr hohen Impulsen f√ľhrt. Dieser hohen Impuls f√ľhrt nun im entarteten Elektronengas zu einem hohen Druck.
Wird ein entartetes Elektronengas weiter komprimiert, so w√§chst die Anzahl der inversen β - Zerf√§lle, bei denen Elektronen von den Kernen ( z.B energiearmes
Fe ) eingefangen werden und damit die Kerne auch neutronenreicher werden.
Gleichzeitig nimmt die Neutronenbindungsenergie der Kerne ab, und Neutronen gelingt es aus dem Kern auszubrechen und ein freies Neutronengas zu bilden.

3. In einem Experiment, erforschten zwei Astronomen der Lick - Sternwarte das Herz des Krebsnebels, wo man 1968 eine pulsierende Radioquelle NP 0532 entdeckte, die eine sehr kurze Pulsarperioden besitzt: P = 0,033s.
Die Astronomen leiteten das Licht des Sterns, das auf der Erde ankommt durch ein Teleskop auf eine rotierende Scheibe mit sechs Schlitzen. Diese Scheibe rotiert mit einer Geschwindigkeit, bei der ungef√§hr pro Sekunde 30mal ein Schlitz f√ľr den Durchgang des Lichtstrahls offen war. Auf dem Bildschirm ergab sich daher ein stehendes Bild, wenn die Rotation der Scheibe mit dem Flackern des Sterns √ľberlagert wurde.
"Nun musste man sich die Frage stellen, worauf dieses Ph√§nomen des Auflammens und Verl√∂schens eines Sterns zur√ľckzuf√ľhren ist. Daf√ľr gab es nun drei M√∂glichkeiten:
1. Der Stern pulsiert (wie ein Cepheid)
2. Es handelt sich um einen Doppelstern, dessen beide Komponenten einander
30mal pro Sekunde umkreisen, und zwar in der Ebene unserer Blickrichtung.
3. Der Stern rotiert 30mal pro Sekunde und sendet dabei einen Lichtstrahl, der uns jede Dreißigstelsekunde trifft."[3]
Aufgrund von theoretischen Überlegungen konnte man die ersten beiden Fälle ausschließen, weil weder pulsierende Sternkörper noch sich umkreisende Sternpaare so kurze Perioden erzeugen können.
Somit musste es sich um einen Körper handeln, der eine so schnelle Rotation besitzt und gleichzeitig durch die Zentrifugalkräfte nicht zerrissen wird und der
auf die Gleichung ω¬≤r = h√∂rt. Sie sagt aus, dass bei hohen Rotationsgeschwindigkeiten ein geringer Radius und eine enorm hohe Masse und Gravitation vorhanden sein m√ľssen. Diese Eigenschaften besitzen im Grunde nur die in Kapitel 2 behandelten Neutronensterne. Bei diesen Sternen muss die Dichte bei etwa 10 g cmliegen, das sind 100 000 t in einem Kubikzentimeter!
Aufgrund solcher Dichteverh√§ltnisse ist es nat√ľrlich einsichtig, dass je dichter ein Neutronenstern ist, desto schneller kann er auch rotieren. Allerdings gibt es hierbei Grenzen, da die Dichte bei Neutronensternen begrenzt ist ( Gefahr des Zusammenfalls zu einem Schwarzen Loch), ist auch die Rotationsgeschwindigkeit nicht beliebig erh√∂hbar, weil sich ansonsten der Neutronenstern in einen Ellipsoiden verwandeln, und gleichzeitig auch Masse verlieren w√ľrde.

4.1 Pulsare arbeiten als nat√ľrliche Synchrotronmaschinen, in der die hochenergetischen Elektronen, die sich in den Neutronensternen befinden, auf relativistische Geschwindigkeiten gebracht werden. Die Frage die sich nun stellt ist, durch welchen Proze√ü die Teilchen beschleunigt werden und inwieweit die Rotationsenergie eine Rolle spielt.
Auf der Erde wäre die Antwort einfach, man benutzt ringförmig angeordnete Magnetfelder, in denen geladene Teilchen durch elektromagentische Kräfte auf hohe Energien gebracht werden. Sollte also bei den Pulsaren ein ähnlicher Vorgang ablaufen?
Erste Voraussetzung hierf√ľr w√§re ein sehr starkes Magnetfeld. Der Kollaps eines Sterns zu einen Neutronenstern f√ľhrte zu einer Kompression der magnetischen Feldlinien zu Kerndichten was wiederum zu einer extrem hohen magnetischen Feldst√§rke gef√ľhrt hat. Bei einer Komprimierung des Sternradius von Ro auf R erh√∂ht sich die magnetische Feldst√§rke von Bo auf
B = Bo ( Ro / R ) ² Š10 A/ m .
Eine weitere Voraussetzung f√ľr die Teilchenbeschleunigung in der Umgebung des Neutronensterns muss das "Herausragen" des Magnetfelds aus dem Stern sein, also im einfachsten Fall ein sogenanntes poloidales Dipolfeld sein (siehe Abbildung)

Abb. Magnetische Feldlinien um einen
Neutronenstern. Die Rotationsachse
steht senkrecht zur magn. Achse.

Diese Magnetfeld ist, in der stark leitenden Materie "eingefroren", und wird bei hydrodynamischen Bewegungen der Materie mitgef√ľhrt. Voraussetzung hierf√ľr allerdings ist das permanente Vorhandensein von Ringstr√∂men, um das Magnetfeld aufrecht zu erhalten. Bekannterweise, geht ein Teil dieser Str√∂me an den ohmschen Widerstand verloren; Rechnungen ergaben aber, das die Neutronensternmaterie eine so hohe Leitf√§higkeit besitzt, dass eine merkliche Verkleinerung des Magnetfeldes erst nach Jahrmillionen erfolgt, also Zeiten, die viel gr√∂√üer sind als die Lebenserwartung eines Pulsars .
Die Leitfähigkeit eines Körpers allgemein hängt ab, in welchen Maße sich die Ladungsträger frei bewegen können. In erster Linie handelt es sich bei den Ladungsträgern um Elektronen, die aufgrund der Wechselwirkung mit anderen Elektronen oder Protonen (bei hohen Energien auch mit Neutronen) sich besser oder schlechter frei bewegen können.
Beim Neutronenstern sind diese Wechselwirkungen allerdings stark eingeschränkt.
Die Zweite Voraussetzung f√ľr die Hypothese von der Synchotronmaschine ist die rasche Rotation des Neutronensterns; dies bekam der Stern schon mit in die Wiege gelegt. √Ąhnlich wie die Erhaltung des magnetischen Flusses zu hohen Magnetfeldern gef√ľhrt hat, musste die Drehimpulserhaltung beim Kollaps zu sehr
hohen Umdrehungsgeschwindigkeiten gef√ľhrt haben.

4.2 Damit w√§ren nun die zwei nat√ľrlichen Eigenschaften des Neutronensterns genannt. Die auftretenden Effekte, werden nun besonders interessant, wenn der Neutronenstern um eine Achse rotiert, die nicht mit der Symmetrieachse des Magnetfeldes √ľbereinstimmt ( siehe obere Abbildung). Man beobachtet, dass den Neutronenstern im Takt der Rotation eine langwellige elektromagnetische Strahlung verl√§sst, deren Frequenz gleich der Rotationsfrequenz des Pulsars ist.
W√ľrde man sich auf dem Stern befinden, dann w√§re nur ein festgefrorenes Magnetfeld festzustellen; von au√üen jedoch betrachtet, w√§re zus√§tzlich ein variables elektrisches Feld gleicher Gr√∂√üenordnung zu bemerken. Hat das Oberfl√§chenmagnetfeld Dipolcharakter( siehe Abbildung), dann produziert der Neutronenstern langwellige Dipolstrahlung. Beim Krebspulsar beispielsweise, betr√§gt die Wellenl√§nge etwa 10m; hierbei gilt die Beziehung λ = cT, wobei T die Umlaufdauer angibt; die Frequenz ist etwa 30 Hz. Die Energie der Strahlung kommt teilweise aus dem Verlust von Rotationsenergie und Drehimpuls.
Dieser Verlust kann durch die Gleichung
E = - (sin¬≤χ ωB¬≤ R)
beschrieben werden. Dabei bedeutet B die magnetische Feldst√§rke am Pol des Sterns, ω die Winkelgeschwindigkeit, R den Sternradius, χ den Winkel zwischen Rotationsachse und der Achse des Magnetfeldes. Setzen wir die Werte des Krebspulsars ein ( ω ≈ 200 s ; χ≈π ; R ≈ 10m; B ≈ 10A/m)
so ergibt sich eine Energieabstrahlung von rund 10 J/s .

Wenn wir nun den langwelligen Strahlungsfeld folgen, so muss es sich durch ein Plasma hindurchbewegen, wobei dies nur funktioniert, wenn die Strahlungsfrequenz oberhalb einer bestimmten Plasmafrequenz liegt. Ist die langwellige Strahlungsfrequenz zu niedrig, so breitet es sich nicht mehr aus, oder wird reflektiert. Ein bekanntes Beispiel ist die Reflexion von langwelligen Radiowellen in der Erdionosph√§re. In der Pulsarumgebung, liegt nun aber die Plasmafrequenz √ľber der Strahlungsfrequenz, und damit h√§tte eine Strahlung keine M√∂glichkeit den Pulsar zu verlassen, wenn nicht in der Umgebung ungew√∂hnliche physikalische Bedingungen herrschen w√ľrden.
Die beim Pulsar auftretenden magnetischen Feldstärken von 10 A/m und elektrische in ähnlicher Größenordnung sind so groß, dass durch den Strahlungsdruck der Welle noch in großer Entfernung alle Plasmateilchen regelrecht hinwegschwemmt werden. Also existiert in unmittelbarer Umgebung nahezu ein Vakuum. Allerdings gibt es Teilchennachlieferungen aus dem Neutronenstern und somit auch einige geladene Teilchen in der Magnetosphäre.
Diese Teilchen treten in Wechselwirkung mit dem Wellenfeld: Ein Teilchen mit der Ladung e und der Masse m, √ľber das eine elektromagnetische Welle hinwegstreicht, wird durch das elektrische Feld in der Welle beschleunigt( das Magnetfeld besitzt nur dann Einflu√ü, wenn die Teilchengeschwindigkeit bereits nahe an der Lichtgeschwindigkeit liegt). Nach einer Zeit t erlangt es die Geschwindigkeit v ≈ eEt/m in Richtung des elektrischen Feldes. Die Zeitdauer der Beschleunigung ist allerdings nur kurz, da sich die Feldrichtung nach 2π/ f
(f ist die Winkelfrequenz der Welle) wieder umkehrt.
Das Teilchen oszilliert also im Takt der Welle der Geschwindigkeiten der Ordnung ≈ = a. ( v ist hierbei die Phasengeschwindigkeit eines Wellenberges, die auch gr√∂√üer als c sein kann) In den meisten F√§llen ist die Frequenz des Strahlungsfeldes so gro√ü, dass a eine au√üerordentlich kleine, dimensionslose Gr√∂√üe ist. Die mittlere Geschwindigkeit v ist also klein gegen√ľber der Lichtgeschwindigkeit. Aber die Situation sieht v√∂llig anders aus, wenn die Feldst√§rken der Welle sehr hoch werden oder die Frequenzen des Strahlungsfeldes sehr niedrig sind ( Beide Bedingungen sind in unmittelbarer Umgebung eines schief rotierenden Pulsars erf√ľllt). Das bedeutet an der Oberfl√§che des Krebspulsars gilt a ≈ 10. Was geschieht hierbei?
Man betrachte als erstes einmal die auf ein Teilchen wirkende Lorentzkraft
Fl = eE + ( v x B), wobei v die Teilchengeschwindigkeit ist.
"Das Teilchen ist zunächst in Ruhe, und wird dann vom elektrischen Feld E in kurzer Zeit auf relativistische Geschwindigkeiten gebracht lange bevor sich die Feldrichtungen umkehren. Ist v Šc erreicht, so wird der zweite Term aus der obigen Gleichung wirksam. Er beschleunigt das Teilchen in der Ausbreitungsrichtung der Welle. Das Teilchen "reitet" sozusagen auf dem Wellenkamm und entfernt sich mit der Welle rasch vom Neutronenstern.
Dabei gewinnt es eine Energie in der Gr√∂√üenordnung von a¬≤ und wird somit bei gen√ľgend gro√üen Werten von a zu eine ultrarelativistischen Teilchen. Elektromagnetische Felder mit einen hohen a - Faktor, gelten als leistungsf√§hige
Teilchenbeschleuniger. Genauere Rechnungen ergaben f√ľr das 30 Hz - Feld des Krebspulsars erreichbare Energien von 10eV f√ľr Elektronen und 10eV f√ľr Protonen."[4]

4.3 Nun ist die Existenz extrem langwelliger elektromagnetischer Strahlung erklärt, allerdings gibt es auch noch weitaus schwächere, in Form von Pulsen ausgesandte elektromagnetische Strahlung höherer Frequenzen.
Wie aus astronomischen Beobachtungen entnommen, pulst der Krebspulsar im gesamten Gebiet des elektromagnetischen Spektrums, vom Bereich der langwelligen Radiostrahlung bis hin zur extrem harten Gammastrahlung.
Um dies zu erklären, muss man zunächst zwischen einer kohärenten und inkohärenten Emission unterscheiden. Bei inkohärenter Emission strahlt jedes Teilchen unabhängig vom Nachbarteilchen, wobei die Emissionsrate proportional zur Zahl der vorhandenen Teilchen ist.

Im Falle der koh√§renten Emission, wo die Teilchen in Phase emittieren, ist die Emissionsrate proportional zum Quadrat der vorhanden Teilchen. Wird die Emission durch beschleunigte bewegte Ladungen hervorgerufen, spricht man von einem Antennenmechanismus. Eine andere Form der koh√§renten Emission ist der Maser - Mechanismus, der durch eine "negative Absorption" zu einer Verst√§rkung des schon vorhanden Strahlungsfeldes f√ľhrt. "Eine negative Absorption, ist eine durch ein Strahlungsfeld stimulierte und somit zus√§tzlich wirkende Emission, die dann auftritt, wenn die Teilchenzust√§nde nicht dem thermodynamischen Gleichgewicht entsprechend besetzt sind."[5]
Aufgrund der intensiven Radiostrahlung, wird bei den Pulsaren der kohärente Strahlungsprozeß herangezogen, und zur Deutung der einfachere Antennenmechanismus verwendet.
Die √úberlegungen gehen von der Annahme aus, dass die magnetischen Polargebiete des Neutronensterns als Elektronenkanonen wirken. Die gravitative Bindungsenergie ist f√ľr das Elektron mit 10eV zwar hoch, doch das Verh√§ltnis der gravitativen zu den auf das Teilchen wirkenden elektrostatischen Kr√§ften ist klein. Die Elektronen werden durch das elektrische Feld in der Nahzone rasch beschleunigt und √ľberwindet so die gravitative Anziehung l√§ngs magnetischer Kraftlinien, die wie "Leitungsdr√§hte" wirken. Theoretische Gr√ľnde lassen vermuten, dass die "Dr√§hte" von Zeit zu Zeit abrei√üen; das h√§ngt damit zusammen, dass die positiv geladenen Ionen auf der Pulsaroberfl√§che festgehalten werden zur Bildung kettenf√∂rmiger Molek√ľle, die sich eng verflechten und eine stark verfestigte Form kondensierter Materie darstellen.
Die Abl√∂sung positiv geladener Teilchen von der Oberfl√§che ist dann viel schwieriger als die negativen Elektronen. Theorien besagen, dass zwischen Magnetosph√§re und Pulsaroberfl√§che eine teilchenfreie L√ľcke von etwa 100m H√∂he entsteht an deren R√§ndern sich eine hohe Potentialdifferenz von 10 V aufbaut. Gelegentlich kommt es zu einer Entladung durch Funkenbildung:
"Die in der L√ľcke beschleunigten Teilchen senden Gammaquanten aus, die wenn sie in dem starken Magnetfeld Energien von einer Million Elektronenvolt erreichen mit Materieteilchen zusammensto√üen Elektron - Positron - Paare bilden, wobei die Elektronen wieder zur Sternoberfl√§che wandern und die Positronen l√§ngs der magnetischen Feldlinien nach au√üen wandern. Bei dieser Bewegung emittieren die Positronen elektromagnetische Strahlung - ein Effekt, der letztlich die Pulsarstrahlung erkl√§ren soll."[6] Die Teilchenbewegungen stellen sich als beschleunigte Bewegungen dar, die eine Abstrahlung zur Folge haben, wobei die Frequenz des Strahlungsmaximums abh√§ngig ist vom Kr√ľmmungsradius der Feldlinien und von einem relativistischen Faktor.
Die f√ľr die Radioemission der Pulsare erforderlichen Teilchenstr√∂me k√∂nnen durch die Annahme eines koh√§renten Emissionsprozesses ziemlich niedrig gehalten werden.

4.4 Eine weitere Frage die sich stellt, ist die Entstehung der optischen, R√∂ntgen und Gammastrahlung. Die einfachste Erkl√§rung f√ľr diese Strahlung bietet die Annahme der Synchrotronstrahlung :
Neben den Teilchen, die sich längs der Magnetfeldlinien bewegen, gibt es auch Teilchen, deren Geschwindigkeitskomponente senkrecht zur Magnetfeldrichtung zeigt. Diese Teilchen spiralen um die Richtung des Magnetfelds und senden dabei eine Strahlung im optischen und im Gamma - und Röntgenbereich aus.
Eine St√ľtze findet diese Annahme durch die Tatsache, dass das optische Spektrum des Krebspulsars im nahen infraroten Bereich, bei Frequenzen √ľber 7,5 • 10Hz, stark abf√§llt. Dieser Effekt kann der sogennanten Synchrotron - Selbstabsorption zugeschrieben werden: Im gleichen Medium, in dem die Synchrotronstrahlung entsteht, findet wieder eine Absorption der Strahlung statt, so dass der auftretende Strahlungsstrom stark reduziert wird. Mit der Kenntnis einer bestimmten Grenzfrequenz, die beim Krebspulsar eben im infraroten Bereich sich befindet, l√§sst sich daher das Magnetfeld in der Emissionsregion absch√§tzen ( etwa 10A/m).

5. Pulsare sind, wie man gesehen hat, astrophysikalisch und physikalisch hochinteressante Objekte. Pulsare stehen im Dienste der physikalischen Grundlagenforschung. Physikalische Gesetzm√§√üigkeiten sind hier in √ľberraschender Weise miteinander verkn√ľpft und geben zu unerwarteten Effekten Anlass. Praktisch jedes wichtige Gebiet der theoretischen Physik, angefangen von der Allgemeinen Relativit√§tstheorie, der Elementarteilchenphysik, der Kernphysik, der Festk√∂rperphysik bis hin zur Plasmaphysik sind in der Pulsarforschung vertreten. Die physikalischen Bedingungen, die um einen Pulsar herum existieren, sind auf der Erde in dieser Form nicht reproduzierbar und geben uns deswegen Aufschlu√ü √ľber die Eigenschaften der Kernmaterie oder √ľber die Existenzm√∂glichkeit ungew√∂hnlich hoher Magnetfelder, aber auch √ľber die Beschleunigungsmechanismen in extrem langwelligen und intensiven elektromagnetischen Strahlungsfeldern. Unter anderen wurden in den vergangen Jahren die Pulsare zur Messung und Best√§tigung von konstanten "Standards" herangezogen.
Eines der grundlegenden Postulate der speziellen Relativit√§tstheorie Einsteins ist die Annahme einer konstanten Lichtgeschwindigkeit c, wobei dies auch besagt, dass es eine maximale Ausbreitungsgeschwindigkeit f√ľr elektromagnetische Strahlung gibt. Mit Hilfe von Pulsarbeobachtungen fand man heraus, dass die Lichtgeschwindigkeit eine universelle Gr√∂√üe ist und mit hoher Genauigkeit konstant. Es wurde festgestellt, dass die Ankunftszeit des Hauptpulses beim Krebspulsar in den verschiedenen Frequenzbereichen (Radiobereich, optischer Bereich, R√∂ntgenbereich und Gammabereich ) gleich sind.
Aber auch die Allgemeine Relativit√§tstheorie konnte durch die Radioastronomie best√§tigt werden. Einstein entwickelte diese Theorie um die erkennbaren Widerspr√ľche zwischen den Gesetzen der Relativit√§t und denen der Gravitation zu erkl√§ren. Speziell ein Ph√§nomen, der Zeitverschiebungseffekt konnte in Zusammenhang mit Pulsaren gebracht werden.
Der Effekt sagt aus, dass das unterschiedliche Gravitationsfeld der Sonne in Sonnennähe bzw. Sonnenferne eine Frequenzverschiebung von der Ordnung 10Hz in irdischen Uhren bewirkt. Diese Verschiebung wurde nachgewiesen, indem irdische Uhren mit einem konstanten außerirdischen Frequenznormal (Pulsar) verglichen wurden.
Von Nutzen f√ľr die Physik ist die Existenz gewisser Millisekunden - Pulsare, deren Perioden zwischen 1,5 und 50 Millisekunden liegen. Solche Sterne entstehen in Bin√§ren Sternensystemen, in denen zwei Pulsare um sich selbst kreisen und einer davon erloschen ist. Der intakte Pulsare √ľbertr√§gt seine Masse an seinen Begleiter, worauf der Pulsar auf Millisekunden - Perioden beschleunigt wird.
- Pulsare können auch erlöschen, wenn ihre Rotation verlangsamt wird, so dass
keine Ladung mehr erzeugt und entlang der Magnetfeldlinien
beschleunigt werden. -
Eben diese Millisekunden - Pulsare mit ihren, mit solcher Regelmäßigkeit ausgesendeten Signalen, können mit den Besten irdischen Cäsium - Atomuhren verglichen werden. Somit wäre die korrekte Zeitmessung nicht mehr den physikalischen Phänomen der Schwingung von Cäsiumatomen unterworfen, sondern rein dem Pulsen mehrerer außerirdischer Objekte. Problematisch allerdings sind die von Zeit zu Zeit auftretenden Abweichungen der Perioden, die es noch unter einen gemeinsamen Nenner zu bringen gilt.
Die Rate der Verlangsamung der Pulsperiode gibt Aufschlu√ü √ľber das Alter von Pulsaren, sowie √ľber die St√§rke des herrschenden Magnetfelds an der Oberfl√§che.

5.2 Das 30 - Hz - Strahlungsfeld des Krebspulsars stellt eine wichtige Bedeutung f√ľr die kosmische Strahlung in der Galaxis dar. Besonders in der Umgebung des Pulsars, im sogenannten Krebsnebel, l√§sst sich aufgrund der Existenz eines Magnetfelds von etwa 0,1 bis 0,01 A/m St√§rke sagen, dass sich auch das 30 - Hz - Strahlungsfeld in diesen Nebel befindet. Dieses Feld beschleunigt auch hochenergetische Teilchen, womit auch eine Strahlung zustande kommt, die nicht direkt vom Krebspulsar stammt. Eine solche Strahlung l√§sst sich wirklich beobachten; auf der Erde stellte man die kosmische Strahlung fest, durch Ionisierung der Erdatmosph√§re in gro√üen H√∂hen. Kosmische Strahlung hat die Eigenschaft das sie aus subatomaren Teilchen besteht, die elektrisch geladen sind und vom Erdmagnetfeld abgelenkt werden. Diese Teilchen m√ľssen also durch einen Beschleunigungsproze√ü die Erde erreicht haben. Die Pulsarumgebung bietet die Bedingungen, die f√ľr die Erkl√§rung eben dieser kosmischen Strahlung von Bedeutung sind.



6. In den letzten 25 Jahren hat sich sehr viel im Bereich der Pulsarforschung getan, um Fragen die vorher nur zum Teil richtig beantwortet werden konnten nun auch theoretisch und experimentell unter einen Hut zu bringen. Viele Fragen sind aber immer noch offen und k√∂nnen deswegen auch nur ungen√ľgend oder √ľberhaupt nicht beantwortet werden. Die obige Arbeit stellt eine Mixtur aus vielen Theorien und theoretischen Ergebnissen dar, wie sie von den Autoren in den meisten F√§llen postuliert werden. Diese Theorien sind oft nicht experimentell zu √ľberpr√ľfen, weil einfach der technische Aufwand daf√ľr viel zu hoch ist.
Meist werden aus Beobachtungen Theorien entwickelt, die von der Logik her richtig sind, ob sie allerdings mit der Wirklichkeit √ľbereinstimmen, kann erst in einigen Jahren oder niemals gekl√§rt werden.























Quellenangaben:
1) Dautcourt, Georg : Was sind Pulsare?
Deutsch - Taschenb√ľcher Bd.33 2.Aufl. 1988

2) A.G. Lyne : Pulsar astronomy

3) Hans Joachim Storig: Knaurs moderne Astronomie

4) http:// www.mpifr - bonn.mpg.de/forschung/

5) http:// www1.tu - chemnitz.de/




























[1]Sammelbegriff f√ľr Elementarteilchen, deren Spin - Quantenzahl halbzahlig ist. (Der Spin ist der Eigendrehimpuls des Teilchens.) Nach der Quantentheorie kann der Eigendrehimpuls von Teilchen nur bestimmte Werte annehmen, die entweder ein ganzzahliges oder ein halbbzahliges Vielfaches des Planck’schen Wirkungsquantums h sind. Zu den Fermionen geh√∂ren Elektron, Proton und Neutron. Ihr Spin ist ein halbzahliges Vielfaches von h, also beispielsweise ¬Ī1h oder ¬ĪGh.2
[3] Storig, Hans Joachim: Knaurs moderne Astronomie S.120
[4] Dautcourt, Georg : was sind Pulsare? S.64
[5] Dautcourt, Georg : Was sind Pulsare? S.70
[6] Dautcourt, Georg : Was sind Pulsare? S.72

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