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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 bis einige s
• Pulsbreiten < 1ms
• erste Annahme:
Radiosignale von intelligenten Wesen
Pulsar\Sound PSR B0329+54.au
Zur Entdeckung
Zwei Arten von Pulsaren
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
log( T / s )
Anz
ahl
• Kurze Pulsdauer
kleine Quelle
(Licht benötigt die Zeit 2R/c von einer Seite des Sterns zur anderen)
• Entfernungsbestimmungdurch Radiointerferometriezeigte, dass abgestrahlteLeistung enorm groß ist
Quelle der Signale?
Kompakte Objekte mit sehr großer Energiemögliche Quelle: schnell rotierende Neutronensterne
10°-25°
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
Entstehung eines Pulsars
2 RBS
Supernova- Explosion-Großteil der äußeren Hülle wird abgestoßen-Rest: Gravitationskraft führt zum Kollaps
T10 2OBS
m107 8R
ms4.0T
T108OBS
T ≈ 26 Tagean der Oberfläche
R ≈ 10 km
M ≈ 1,4 -3 M
2RT
M ≈ 15M
M
RT
3
8 32
1ms1T
Kollaps eines rotierenden Sterns der Masse M
mit Radius R, Winkelgeschwindigkeit und
Drehimpuls
Drehimpulserhaltung bei Verkleinerung des Radius nimmt dieWinkelgeschwindigkeit zu
Rotationsenergie:
Größenordnung 1044 J (abgestrahlte Energie der Sonne während ihres gesamten Lebens)
2
5
2MRL
2 RBS
2RT Rotationsdauer:
Magnetische Flussdichte:
2
2222
4
5
5
1
2
1
MR
LMJErot
2211 BFBF BF
:erhalten sGesamtflus
weil Stern auseinanderfliegen würde,wenn Erot größer als Ekin ,und somit:
Flusserhaltung unendliche Leitfähigkeit
Pulsar verliert RotationsenergieAbbremsung (Verlust an Rotationsenergie) entspricht dem Energieverlust durch Emission von magnetischer Dipolstrahlung:
2426
223
40
sin3
2
2
1
6
BR
Jdt
d
cdt
dEmT
p
mTp
323
30
6
K
Jcc mT p
Komponente des magnetischen Moments senkrecht zur Rotationsachse
nK allgemein:
n: Bremsparameter, bestimmbar über:
222
T
TTn
(siehe Herzscher Dipol)
10 8 T
10 6 T10
6 yr
1010 yr
T (s)
log 10
T
·
Crab: n = 2.515 ± 0.005 PSR 1509-58: n = 2.8 ± 0.2 PSR 0540-69: n = 2.01 ± 0.02
Messungen von ‘ ergebenaber 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
Altersbestimmung von Pulsaren
Integration der Formel:
nach der Zeit ergibt für das Alter eines Pulsars:
nK 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
Tn
T
KnT
nP
)1()1(
11
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
0BE
0BETeilchen werden entlang Eparallel beschleunigt, wenn
Inneres des Sterns: perfekter Leiter, Lorentzkraft verschwindet:
Rrc
,0)(1
BrωE
Magnetosphäre
ausströmen Elektronen :0 ,0 Φ
Neutronenstern mit Radius R und magnetischem Dipolfeld B
Innerhalb des Lichtzylinders rotiert B mit dem Stern mitRotationsfrequenz
el. Potential wie im interstellaren Medium
cc
Φ
rsin :mit
1
1
24
1
durch E von gAbschirmun Totale
umgegeben Plasmaist von Stern der
ausströmen
Teilchen geladene pos. :0 ,
2
0
BωE
eerB r sincos22
)(3
0
r
RB
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
Elektromagnetische KaskadenEntstehen in Lücken in der Magnetosphäre
CR: KrümmungsstrahlungSR: SynchrotronstrahlungPP: PaarbildungIC: Inverse Comptonstreuung
Beobachtung: gepulste GeV- Emission
Frequenz, Intensität und Ausdehnung d. EM- Kaskaden bestimmen Pulsprofile, Pulsspektren und Strahlbreiteman schließt daraus auf Größe und Geometrie plasmafreier Lücken (Gaps) in verschied. Modellen
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 vorausgesagtHerabsenken der oberen Grenze für die Beobachtung von TeV- Emissionen wäre ein „letzter Beweis“ für die Gültigkeit des Modells
Polar Cap Modell
•dicht über Polkappe bildet sich GapUrsache: 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 gelangenElektromagnetische Kaskade, erklärtKohärente Mikrowellen- und Radiostrahlung
TeV- Photonen werden durch inverse Comptonstreuung erzeugt, können aber nicht beobachtet werden, da sie wieder absorbiert werden
• trotz extremer Kürze der Periode nichtnotwendigerweise sehr junge Pulsare entweder zeigen sie praktisch keinePeriodenzunahme, oder sie sind Komponentenvon Doppelsternsystemen und erfuhren eineRotationsbeschleunigung durchMassenaustausch
• Vermutung: die meisten gehören zu Binärsystemen
• Modell: Pulsar zieht von einemRiesenstern 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
Plasma in Akkretionsscheibe: bewegt sich auf langsam sinkenden Kepler- Bahnen bis es in den Bereich magnetischer Dominanz kommt
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?
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 458,278Polar Cap• Cheng/Ruderman 1986a ApJ 300,500
1986b ApJ 300,522• Hirotani, K. 2001 ApJ 549,495