Radiopulsare: Physik mit Square Kilometer Array (SKA)

Themenübersicht Radiopulsare Radioteleskopie SKA – Square Kilometer Array

Physikalische Eigenschaften (Radio)Pulsare: Schnell rotierender Neutronenstern Magnetfeldachse weicht von Rotationsachse ab -> Synchrotronstrahlung entlang der Dipolachse Regelmäßige Signale nur sichtbar, wenn Erde im Strahlungsfeld des Rotationskegels Strahlen hauptsächlich im Radiobereich, jedoch Frequenzspektrum von Radio bis Röntgenbereich Ca. 2000 Pulsare bisher entdeckt

Rotationsdauer von 0,01s bis 8s, nimmt stetig ab um 10-15 s pro sec  sehr hohe Periodizität Begrenzte Lebensdauer bis 10 Mio. Jahre Millisekundenpulsare mit Periode von 1-10 ms Schnellster Pulsar 716 Umdrehungen pro Sekunde, Radius 16 km Pulsare liegen in galaktischer Ebene

Aufbau: 10 mal größere Dichte als Atomkern Suprafluid und Supraleitend Synchrotronstrahlung aufgrund von schneller Bewegung der Magnetfeldlinien durch ionisierten Nebel jüngere Pulsare sind höher energetisch als ältere

Entstehung: Nach Supernova massereicher Sterne (1,4 MSonne < M < 3 MSonne) bleibt in heißem ionisiertem Gasnebel ein Neutronenstern zurück. NS besteht aus Teil des Ursterns auf kleinstem Raum (R~20 km) NS und Gasnebel behalten Drehimpuls bei Magnetfeld des Ursterns in NS komprimiert Folgerung: durch Drehimpulserhaltung und Komprimierung erfolgt Beschleunigung der Rotation von Tagen auf Brucheile von Sekunden und ein extrem verstärktes Magnetfeld von 108 T

Millisekundenpulsare stabilisieren Rotation durch Akkretion Umdrehungszeiten << 1ms unwahrscheinlich da Zentrifugalkraft des NS begrenzt Außerdem sollte Abstrahlungsverlust durch Gravitationswellen Anstieg der Rotationsfrequenz verhindern Trägheitsmoment verringert sich quadratisch mit R und durch Drehimpulserhaltung (L=Θω) folgt eine schnellere Rotation

Geschichte: Erster Pulsar 1967 von Jocelynn Bell und Antony Hewish bei Suche nach Radioquellen entdeckt (Nobelpreis 1974) Durch hohe Regelmäßigkeit der elektromagnetischen Strahlung zuerst Annahme einer künstlichen Quelle evtl. extragalaktischer Natur. Benennung der Pulsare PSR (Pulsating Source of Radio Emission) B1919+21 Rektaszension 11h19, Deklination +21, Koordinatensystem B-1950- (J-2000-) 1974 Entdeckung des ersten Doppelpulsarsystems von Hulse und Taylor jr. 2 Pulsare die in weniger als 8 Stunden einander umkreisen und deren Bahnperiode sich ständig verkürzt (kann nur durch Abstrahlung von Gravitationswellen erklärt werden)  Nobelpreis 1993 PSR B0531+21 im Krebsnebel jüngster bekannter Pulsar (~900Jahre alt)

Detektion von Strahlung im Wellenlängenbereich von 10m (30MHz) bis 1mm (300GHz) Bei Wellenlängen zwischen 1 und 20 cm ist Szintillation nicht so groß, jedoch nimmt sie dann stark zu und Wellenlängen größer als 10 m kommen nicht mehr durch Ionosphäre/Atmosphäre Meistens parabolisch geformte Metallflächen (Hohlspiegel) die Wellen fokussieren Im Fokus sitzt Antenne, die Signale an Auswertungsstation sendet Arrays: Parabolantennen Arrays gekoppelt  effektive Empfangsfläche größer Radioteleskopie:

Über Erde verteilte Arrays können gleiche Quellen beobachten Signale werden gekoppelt  Auswertung der Interferenzen der gekoppelten Arrays  Erhalten effektives Radioteleskop mit gleichem Durchmesser wie Abstand der einzelnen Teleskope Erhöhung der Winkelauflösung Heutige Auflösungen vergleichbar mit denen von optischen Teleskopen Bewegliche (gesamte Hemisphäre) unbewegliche Teleskope (meist auf Zenit gerichtet)

SKA – Square Kilometer Array Radioteleskop mit Empfangsfläche von etwa 1km² Sammelfläche 100 mal größere Sammelfläche als Very Large Array (VLA) in New Mexico/USA Großer abgedeckter Frequenzbereich von 70 MHz bis 25 GHz (Radio ~70 MHz bis etwa 3 GHz) und 50 mal empfindlicher als jedes andere Radioinstrument 10.000 mal schnellere Beobachtung des Himmels Bau startet voraussichtlich im Jahr 2012 in Westaustralien in Boolardy (wüstenähnliches Gebiet) Vorläufige Fertigstellung für erste Beobachtungen bis 2016, endgültig 2020

Budget: 1,5 Milliarden Euro / 19 Länder am Bau beteiligt Standortwahl: Südliche Hemisphäre (zu messenden Frequenzen durchlässiger von Atmosphäre/Ionosphäre), Population gering  wenig (Radio) Interferenzen Aufbau: siehe Bild - Auswertungsstation im Kern - Antennen um Kern mit einem Gesamtdurchmesser von bis zu 3000 km Kernregion

Erforschungsgebiete / Ziele: Erforschung von Dunkler Materie / Dunkler Energie Messung des neutralen Wasserstoffs in Frühzeit des Universums Test der Gravitationstheorien an Pulsaren, von denen noch viele durch SKA entdeckt werden sollen Erforschung des kosmischen Magnetismus in Galaxien

Quellen http://www.jb.man.ac.uk/~mkramer/Welcome.html http://de.wikipedia.org http://www.skatelescope.org/index.htm http://astro.uni-frankfurt.de/AstroTage2007II/Neutronensterne02- Pulsare.pdf Materialien Dr. Armen Sedrakian http://www.nrao.edu/index.php/learn/radioastronomy