Pulsare

1. Pulsare

2. Zur Entdeckung • 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

3. Zwei Arten von Pulsaren Anzahl log( T / s ) 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

4. Quelle der Signale? • Kurze Pulsdauer • kleine Quelle (Licht benötigt die Zeit 2R/c von einer Seite des Sterns zur anderen) • Entfernungsbestimmung durch Radiointerferometrie zeigte, dass abgestrahlte Leistung enorm groß ist 10°-25° Kompakte Objekte mit sehr großer Energie mögliche Quelle: schnell rotierende Neutronensterne

6. 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

7. T ≈ 26 Tage an der Oberfläche Entstehung eines Pulsars Supernova- Explosion -Großteil der äußeren Hülle wird abgestoßen -Rest: Gravitationskraft führt zum Kollaps M ≈ 15M R ≈ 10 km M≈ 1,4 -3 M

8. Kollaps eines rotierenden Sterns der Masse M mit Radius R, Winkelgeschwindigkeit w und Drehimpuls Drehimpulserhaltung  bei Verkleinerung des Radius nimmt die Winkelgeschwindigkeit zu Rotationsdauer: weil Stern auseinanderfliegen würde, wenn Erotgrößer als Ekin , und somit: Rotationsenergie: Größenordnung 1044 J (abgestrahlte Energie der Sonne während ihres gesamten Lebens) Magnetische Flussdichte: Flusserhaltung unendliche Leitfähigkeit

9. · log10 T 108 T 106 yr 106 T 1010 yr T (s) Pulsar verliert RotationsenergieAbbremsung (Verlust an Rotationsenergie) entspricht dem Energieverlust durch Emission von magnetischer Dipolstrahlung: (siehe Herzscher Dipol) Komponente des magnetischen Moments senkrecht zur Rotationsachse allgemein: n: Bremsparameter, bestimmbar über:

10. Messungen von w‘ ergeben aber folgende Werte für n: Crab: n = 2.515 ± 0.005 PSR 1509-58: n = 2.8 ± 0.2 PSR 0540-69: n = 2.01 ± 0.02 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

11. Altersbestimmung von Pulsaren Integration der Formel: nach der Zeit ergibt für das Alter eines Pulsars: 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

12. Plasma umgibt Neutronensterne Teilchen werden entlang Eparallel beschleunigt, wenn Inneres des Sterns: perfekter Leiter, Lorentzkraft verschwindet: im Sterninneren verschwindet die Lorentz- Invariante E.B, außerhalb des Sterns muss gelten • Kein dynamisches Gleichgewicht, wenn Vakuum den Stern umgäbe anstelle von Plasma W

13. Magnetosphäre Neutronenstern mit Radius R und magnetischem Dipolfeld B Innerhalb des Lichtzylinders rotiert B mit dem Stern mit Rotationsfrequenz w el. Potential wie im interstellaren Medium

14. Beobachtete Strahlungsarten und dafür relevante Prozesse Synchrotronstrahlung und Krümmungsstrahlung, beide haben breites, kontin. Spektrum Paarproduktion g+g e+e- Bg e+e- (bei starken Magnetfeldern) Inverse Compton-Streuung ge+ ge+ bzw.: ge- ge- Infrarot- oder optische Photonen streuen an ultrarelativistischen Elektronen, das ergibt langsameres Elektron/Positron und g im TeV- Bereich

15. Beobachtung: gepulste GeV- Emission Elektromagnetische Kaskaden Entstehen in Lücken in der Magnetosphäre CR: Krümmungsstrahlung SR: Synchrotronstrahlung PP: Paarbildung IC: Inverse Comptonstreuung

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

17. 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 Bg- Paarproduktion, sondern gg Paarbildung durch Photonen aus CR • TeV Emissionen wurden vorausgesagt • Herabsenken der oberen Grenze für die Beobachtung von TeV- Emissionen wäre ein „letzter Beweis“ für die Gültigkeit des Modells

18. Polar Cap Modell • dicht über Polkappe bildet sich Gap • Ursache: 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 gelangen • Elektromagnetische Kaskade, erklärt Kohärente Mikrowellen- und Radiostrahlung TeV- Photonen werden durch inverse Comptonstreuung erzeugt, können aber nicht beobachtet werden, da sie wieder absorbiert werden

19. Millisekunden- Pulsare • trotz extremer Kürze der Periode nicht notwendigerweise sehr junge Pulsare entweder zeigen sie praktisch keine Periodenzunahme, oder sie sind Komponenten von Doppelsternsystemen und erfuhren eine Rotationsbeschleunigung durch Massenaustausch • Vermutung: die meisten gehören zu Binärsystemen • Modell: Pulsar zieht von einem Riesenstern 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)

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

21. 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?

22. 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 458,278 Polar Cap • Cheng/Ruderman 1986a ApJ 300,500 1986b ApJ 300,522 • Hirotani, K. 2001 ApJ 549,495