Die komplette Klaviatur der Pulsare

Kombination der neuen Radioanlage LOFAR mit zwei Großteleskopen bringt wichtige Erkenntnisse über die Strahlung von Neutronensternen

22. April 2010

Mit einer einzigartigen Kombination mehrerer Teleskope haben Astronomen fast die gesamte Klaviatur des Radiospektrums ausgeschöpft und sechs Pulsare gleichzeitig über den Wellenlängenbereich von 3,5 Zentimetern bis zu sieben Metern beobachtet. Das ermöglicht einen beispiellosen Blick darauf, wie Pulsare ihre Energie abstrahlen. Für diesen "Weltrekord" nutzte das internationale Team, darunter auch Forscher aus dem Bonner Max-Planck-Institut für Radioastronomie, das neue europäische Niederfrequenz-Radioteleskop LOFAR in Verbindung mit zwei der weltweit größten Radioanlagen, der 100-Meter-Antenne bei Effelsberg und dem 76-Meter-Lovell-Teleskop in Großbritannien.

Intensität der Radiosignale des Pulsars PSR B1133+16 als Funktion der Zeit in vier über einen großen Abstand getrennten Bereichen. Die Signalstruktur zeigt den Verlauf der Magnetfeldlinien oberhalb des magnetischen Pols.

Pulsare sind schnell rotierende Neutronensterne, die bei der Explosion von massereichen Sonnen entstehen. Diese kompakten Sternleichen besitzen bei einem Durchmesser von nur 20 Kilometern mehr Masse als unsere Sonne. Entlang seiner Magnetpole gibt ein Pulsar gebündelte Radiostrahlung ab, die sich über einen großen Wellenlängenbereich hinweg beobachten lässt. Weil die magnetische Achse gegen die Rotationsachse geneigt ist, überstreicht der Strahlenkegel einmal pro Umdrehung die Erde, das heißt: Der Stern blinkt regelmäßig wie ein Leuchtturm.

In den 40 Jahren seit der Entdeckung der ersten Pulsare - heute kennt man rund 2000 dieser Objekte - haben die Astronomen den Leuchtturm-Mechanismus immer besser verstanden. Sie glauben, dass die Radiostrahlung bei unterschiedlichen Wellenlängen in verschiedenen Höhen über der Oberfläche innerhalb des starken Pulsarmagnetfelds entsteht. Die Beobachtung der Strahlung liefert somit einen Schnitt durch diese Magnetosphäre, Simultanmessungen ermöglichen eine Tomografie der Pulsaratmosphäre.

Geladene Teilchen werden entlang der magnetischen Feldlinien des Neutronensterns beschleunigt und erzeugen die beobachtete Radiostrahlung (Synchrotronstrahlung). Dabei werden die Feldlinien immer stärker auseinandergespreizt, je weiter man sich von der Oberfläche entfernt. Beobachtungen bestätigen dieses Szenario: Sie zeigen, dass die Radiopulse von einigen Pulsaren mit zunehmender Wellenlänge zeitlich auseinander gezogen werden. Die Form der gemessenen Radiosignale ändert sich erheblich als Funktion der Wellenlänge und zeichnet das Ausspreizen der magnetischen Feldlinien über der Pulsaroberfläche direkt nach.

Mit einem einzelnen Radioteleskop lässt sich die Pulsarstrahlung zu einer bestimmten Zeit nur in einem relativ begrenzten Wellenlängenbereich beobachten. Durch die Verbindung der beiden klassischen großen Radioteleskope bei Effelsberg und Jodrell Bank für Zentimeter-Wellenlängen mit dem neuartigen europäischen "LOw Frequency ARay" (LOFAR), einem Teleskopnetzwerk für Meter-Wellenlängen, konnten die Astronomen nun sechs Pulsare über einen Bereich von nahezu acht Oktaven simultan untersuchen. "Verglichen mit der Musik, entspricht das dem kompletten Tonumfang eines Klaviers", sagt Jason Hessels vom niederländischen Institut ASTRON. "Dadurch erhalten wir eine Reihe von Momentaufnahmen der Pulsarstrahlung aus unterschiedlichen Höhen oberhalb der magnetischen Pole."

Der Schlüssel zu diesen Messungen liegt in der Nutzung des neuen LOFAR-Teleskops. Es besteht aus Tausenden von Einzelantennen, zusammengefasst in einer Reihe von Feldstationen und der Zentrale nahe Exloo in den Niederlanden. Insgesamt verteilen sich die Stationen des LOFAR-Netzwerks über Hunderte von Kilometern, neben den Niederlanden stehen sie auch in Deutschland, Frankreich, Großbritannien und Schweden.

Die empfangenen Daten werden über schnelle Glasfaser-Leitungen zusammengeführt und an einem BlueGene/P-Supercomputer und weiteren Netzwerkcomputern im Zentrum für Informationstechnologie der Universität Groningen analysiert. Das LOFAR-Netzwerk wird von ASTRON im niederländischen Dwingeloo betrieben. Zurzeit wird LOFAR für den astronomischen Routine-Messbetrieb vorbereitet.

Die erste internationale Antennenstation steht in unmittelbarer Nähe des 100-Meter-Radioteleskops bei Bad Münstereifel-Effelsberg und gehört zum Bonner Max-Planck-Institut für Radioastronomie. Michael Kramer, Direktor am Institut, freut sich über die deutliche Erweiterung des Wellenlängenbereichs. "Unsere Beobachtungen zeigen, dass LOFAR die bereits existierenden Radioteleskope in Europa, etwa das 100-Meter-Teleskop, in beinahe perfekter Weise ergänzt."

Das Hauptziel der vorliegenden Beobachtungen besteht zwar darin, den Mechanismus der Pulserzeugung bei Pulsaren besser zu verstehen. Nebenbei gewinnt man aber auch Erkenntnisse, die über die Analyse der Pulsare selbst hinausgehen. "Die Messungen ermöglichen uns die Untersuchung des interstellaren Gases, das zwischen uns und dem Pulsar liegt", sagt Ben Stappers von der Universität Manchester.

LOFAR wird sich über mehr als 1000 Kilometer erstrecken. Nach seiner Fertigstellung im Jahr 2011 soll es das leistungsfähigste Radioteleskop der Erde sein; mit ihm lässt sich das Universum zwischen einem und 30 Metern erforschen - bei den größten, vom Boden zugänglichen Wellenlängen.

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