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Pulsare. scharfe, regelmäßige Radiopulse 1967 zufällig entdeckt von Jocelyn Bell und Antony Hewish (PSR 1919+21 T = 1.33 s) Periodendauern: einige ms.

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1 Pulsare

2 scharfe, regelmäßige Radiopulse 1967 zufällig entdeckt von Jocelyn Bell und Antony Hewish (PSR T = 1.33 s) Periodendauern: einige ms bis einige s Pulsbreiten < 1ms erste Annahme: Radiosignale von intelligenten Wesen Pulsar\Sound PSR B au Zur Entdeckung

3 Zwei Arten von Pulsaren Statistik zeigt zwei Gruppen von Pulsaren: Rotationsdauern -ab 20ms Magnetfeld: B um 10 8 TBsp.: Pulsar im Krebsnebel T=33ms -1ms bis 20msMagnetfeld: B um 10 5 TBsp.: 1987 in M82 entdeckt T=3,054 ms log( T / s ) Anzahl

4 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 Quelle der Signale? Kompakte Objekte mit sehr großer Energie mögliche Quelle: schnell rotierende Neutronensterne 10°-25°

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

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

9 Pulsar verliert Rotationsenergie Abbremsung (Verlust an Rotationsenergie) entspricht dem Energieverlust durch Emission von magnetischer Dipolstrahlung: Komponente des magnetischen Moments senkrecht zur Rotationsachse allgemein: n: Bremsparameter, bestimmbar über: (siehe Herzscher Dipol) 10 8 T 10 6 T 10 6 yr yr T (s) log 10 T ·

10 Crab:n = ± PSR :n = 2.8 ± 0.2 PSR :n = 2.01 ± 0.02 Messungen von ergeben aber folgende Werte für n: 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, 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 im Sterninneren verschwindet die Lorentz- Invariante E. B, außerhalb des Sterns muss gelten Kein dynamisches Gleichgewicht, wenn Vakuum den Stern umgäbe anstelle von Plasma Teilchen werden entlang E parallel beschleunigt, wenn Inneres des Sterns: perfekter Leiter, Lorentzkraft verschwindet:

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

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

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

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 B - Paarproduktion, sondern 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 E parallel im Gap (Potentialdifferenzen von V) 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 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) Millisekunden- Pulsare

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: Outer Gap: Ruderman, M. A., and Sutherland, P. G ApJ 196,51 Daugherty, J. K., and Harding, A. K ApJ 252, ApJ 458,278 Polar Cap Cheng/Ruderman 1986a ApJ 300, b ApJ 300,522 Hirotani, K ApJ 549,495


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