Funkelnder Pulsar verrät unsichtbare Strukturen im Weltraum

Interstellare Wolke in 430 Lichtjahren Entfernung streut Radiostrahlung eines weit entfernten Pulsars

Auf den Punkt gebracht

• Ein internationales Team um Tim Sprenger vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie beobachtete das Flackern der Radiostrahlung eines Pulsars mit zwei der weltweit leistungsstärksten Radioteleskope.
• Aus der Form des verzerrten Bildes können die Forschenden schließen, dass das dünne Gas zwischen uns und dem Sternüberrest nicht zufällig verteilt ist, sondern in Strukturen mit Vorzugsrichtung vorliegt.
• Mit der verwendeten Beobachtungstechnik lassen sich hochaufgelöste Bilder erstellen, ohne dass man Teleskope auf der ganzen Erde daten- und rechenintensiv zusammenschalten muss.

Ein Sonnenuntergang ist nicht nur schön anzusehen, sondern verrät auch etwas über die unterschiedlich warmen und dichten Luftschichten unserer Erdatmosphäre. Diese brechen das Licht auf dem Weg zu uns derart, dass die Sonne, kurz bevor sie hinter dem Horizont verschwindet, in ein Streifenmuster gehüllt und in die Breite gezogen scheint. Ein anderes Beispiel ist das Funkeln der Sterne am Nachthimmel, hevorgerufen durch Dichte- und Temperaturschwankungen in der Erdatmosphäre.

Pulsar-Sterne können einen ganz ähnlichen Effekt erzielen. Pulsare sind ultra-kompakte Sternleichen, kaum größer als eine Großstadt auf der Erde, die bevorzugt Radiolicht abstrahlen. Von der Erde aus betrachtet, scheint deren Licht daher aus einem Punkt am Himmel zu kommen. Ihr Licht erscheint aber in einigen Fällen auch mal verschmiert und in die Länge gezogen oder zu flackern. Das liegt nicht an der Erdatmosphäre, aber an Gas zwischen den Sternen, das Klumpen und Strukturen bildet, die das Licht des dahinter liegenden Pulsars streuen und ablenken. Dieses Funkeln im Radiolicht – in der Fachsprache Szintillation genannt – ermöglicht Einblicke in den interstellaren Raum, der sonst unsichtbar wäre. 

Ein internationales Team um Tim Sprenger vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie hat die flimmernde Radiostrahlung des Pulsars mit der Bezeichnung PSR B1508+55 genau vermessen und dazu eine innovative Beobachtungstechnik genutzt. Es handelt sich erst um den zweiten Pulsar, bei dem sich die Verzerrung durch Szintillation direkt abbilden ließ. 

Unerwartet geradlinig

Die Forschenden um Tim Sprenger beobachteten den Pulsar PSR B1508+55, der sich rund 7000 Lichtjahre entfernt im Sternbild Drache befindet. In der Langzeitaufnahme erscheint der Pulsar zu einer Linie verzogen. „Meist stellt man sich vor, dass der Pulsar von zufälligen Dichteschwankungen zu einer verschwommenen Scheibe verzerrt wird. Stattdessen scheint das interstellare Medium hier geordnete Strukturen mit bevorzugter Richtung auszubilden“, erklärt Erstautor Tim Sprenger. Das könnten beispielsweise parallel verlaufende Filamente oder dünne, gefaltete Schichten sein.

Wie genau die Strukturen in diesem Fall aussehen, ist noch nicht geklärt. Das liegt auch daran, dass die beobachtete Streuung, die sie verursachen, im astronomischen Maßstab sehr klein und schwierig zu beobachten ist. Besonders interessant sind kleine Unregelmäßigkeiten in der ansonsten geraden, gestreuten Linie. „Es ist faszinierend und wirft die Frage auf: Welche mikroskopischen Strukturen haben sie hervorgebracht – Strukturen, die sich unserem derzeitigen Bild vom interstellaren Medium entziehen?“, sagt Co-Autorin Xun Shi von der Yunnan-Universität in China hinzu. Mit Modellrechnungen lässt sich immerhin der wahrscheinlichste Ort der interstellaren Wolke bestimmen: Sie sollten rund 430 Lichtjahre von der Erde entfernt liegen.

Wegweisende Beobachtungstechnik

Die Szintillation verursacht so kleine Positionsänderungen des Pulsar-Lichts am Himmel, dass man sie mit einzelnen Teleskopen nicht räumlich auflösen kann. Die Forschenden verwendeten daher eine besondere Beobachtungstechnik und zwei der leistungsstärksten Radioteleskope der Welt: Das 100-Meter-Radioteleskop Effelsberg in Deutschland und das Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope (Fast) in China. Aufgrund der Bewegung der Erde verändert sich die Position der Teleskope, während sie zeitgleich auf PSR B1508+55 gerichtet sind.

Das bedeutet, dass im Verlauf eines Tages mal das eine und mal das andere Teleskop dasselbe Flackern zuerst sieht, je nachdem ob gerade Deutschland oder China eher in die Bewegungsrichtung der Erde zeigt. Daraus lässt sich ein Bild berechnen. Co-Autor Olaf Wucknitz ergänzt: „Durch die Kombination der verteilten Teleskope mit der Bewegung der Erde relativ zu den beobachteten Strukturen konnten wir eine Auflösung erreichen, die im beobachteten Frequenzbereich mit keiner anderen Technik möglich ist.“

Bei höheren Frequenzen lassen sich vergleichbare Auflösungen realisieren, wenn man viele Teleskope auf der ganzen Welt zu einem virtuellen Teleskop zusammenschaltet. Das ist technisch anspruchsvoll, und die anfallenden Daten müssen zeitaufwendig korreliert werden. „Die von uns verwendete Beobachtungstechnik hat keine großen Ansprüche an die Infrastruktur. Sie funktioniert mit bereits lokal verarbeiteten Datensätzen, die wir mit unseren normalen Laptops zusammenführen konnten“, berichtet Tim Sprenger. Nach diesem Erfolg sind Beobachtungen weiterer Pulsare geplant. Mit ihnen sollte sich dann mehr über die unsichtbaren Strukturen des interstellaren Mediums herausfinden lassen.

Michael Kramer, geschäftsführender Direktor des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie, weist darauf hin, dass Fast derzeit das empfindlichste Teleskop der Welt ist, und betont: „Diese großartige Arbeit zeigt, was möglich ist, wenn zwei der leistungsstärksten Instrumente der Welt zusammenarbeiten. Beide Teleskope sind großartig, aber ihre seltene Kombination ist noch viel besser!“