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Vom Stern zum Pulsar: Was macht die Entstehung von Millisekundenpulsaren so erstaunlich?
Millisekundenpulsare (MSPs) sind Pulsare mit einer Rotationsperiode von weniger als etwa 10 Millisekunden. Diese Objekte wurden im elektromagnetischen Spektrum in Radio-, Röntgen- und Gammastrahlen nachgewiesen. Wissenschaftler glauben, dass die Bildung von Millisekundenpulsaren mit dem Massentransfer von Begleitsternen zusammenhängt. Es wird allgemein angenommen, dass es sich um alte, schnell rotierende Neutronensterne handelt, die durch die Ansammlung von Material vom Begleitstern in einem nahe gelegenen Doppelstern „recycelt“ oder beschleunigt werden System. Daher werden Millisekundenpulsare manchmal auch Recyclingpulsare genannt.
Der Ursprung von Millisekundenpulsaren hängt mit massearmen Röntgendoppelsternsystemen zusammen, in denen Röntgenstrahlen von der Akkretionsscheibe von Neutronensternen emittiert werden.
Laut aktueller Forschung könnte der Entstehungsprozess von Millisekundenpulsaren mindestens zwei unterschiedliche Entwicklungsmechanismen durchlaufen haben. Diese Mechanismen könnten erklären, warum einige junge Millisekundenpulsare relativ hohe Magnetfelder aufweisen, wie beispielsweise PSR B1937+21. Laut Untersuchungen von Bülent Kiziltan und S. E. Thorsett (UCSC) impliziert dieser neue Befund, dass traditionelle Evolutionsmodelle nicht ausreichen, um die Entwicklung aller Millisekundenpulsare zu erklären. Bemerkenswerterweise sind viele Millisekundenpulsare in Kugelsternhaufen konzentriert, was mit der Rotationsbeschleunigungshypothese ihrer Entstehung übereinstimmt, da die hohe Sterndichte dieser Sternhaufen die Chance des Pulsars erhöht, einen großen Begleitstern einzufangen.
Es ist derzeit bekannt, dass sich etwa 130-Millisekunden-Pulsare in Kugelsternhaufen befinden, darunter 37 in Terzan 5, 22 in 47 Tucanae und jeweils 8 in M28 und M15.
Die Grenze der Pulsarrotationsgeschwindigkeit
1982 wurde PSR B1937+21 als erster Millisekundenpulsar entdeckt. Seine Rotationsgeschwindigkeit beträgt etwa 641 Mal pro Sekunde und er ist immer noch der zweitschnellste bekannte Millisekundenpulsar. Der am schnellsten rotierende Pulsar im Jahr 2023, PSR J1748-2446ad, dreht sich mit einer Geschwindigkeit von 716 Mal pro Sekunde. Bestehende Modelle der Struktur und Entwicklung von Neutronensternen sagen voraus, dass Pulsare auseinanderbrechen können, wenn sie Rotationsgeschwindigkeiten von etwa 1.500 U/min erreichen, und dass sie bei Geschwindigkeiten über 1.000 U/min schneller Energie verlieren, als sie die Beschleunigungsrate des Integrationsprozesses absorbieren .
Im Jahr 2007 entdeckten Daten des Rossi-Röntgen-Timing-Detektors und der Raumsonde INTEGRAL einen Neutronenstern namens XTE J1739-285 mit einer Rotationsrate von 1122 Hz. Dieses Ergebnis ist jedoch statistisch nicht signifikant.
Unter dem Einfluss der Gravitationsstrahlung kann sich die Rotationsrate von Millisekundenpulsaren verlangsamen. Einer der Röntgenpulsare, IGR J00291+5934, mit einer Rotationsgeschwindigkeit von 599 Umdrehungen pro Sekunde könnte in Zukunft ein starker Kandidat für die Erkennung von Gravitationswellen werden.
Schwerkraftwellenerkennung mittels Pulsaren
Gravitationswellen sind eine wichtige Vorhersage von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie und entstehen durch die Bewegung großer Mengen Materie und die Fluktuationen im frühen Universum. Ein Pulsar ist ein schnell rotierender, stark magnetischer Neutronenstern, der normalerweise nach einer Supernova-Explosion entsteht. Aufgrund ihrer Stabilität können Pulsare zur Detektion von Gravitationswellen eingesetzt werden, eine Idee, die erstmals in den 1970er Jahren von Sazhin und Detweiler vorgeschlagen wurde.
Pulsare gelten als Referenzuhren, die an einem Ende Zeitsignale senden, während sich der Beobachter auf der Erde befindet.
Wenn Gravitationswellen durchdringen, verursachen sie Störungen in der lokalen Raum-Zeit-Metrik und beeinflussen dadurch die beobachtete Rotationsfrequenz des Pulsars. 1983 erweiterten Hellings und Downs dieses Konzept, indem sie vorschlugen, dass ein umfassendes Netzwerk von Pulsaren einen zeitlich variierenden Gravitationswellenhintergrund erkennen könnte. In den frühen 1980er Jahren verfeinerten Foster und Backer mit der Entdeckung der ersten Millisekundenpulsare die Empfindlichkeit der Gravitationswellendetektion.
In den folgenden Jahren stieg die Empfindlichkeit der Gravitationswellendetektion mit der Weiterentwicklung digitaler Datenerfassungssysteme und der Entdeckung weiterer neuer Millisekundenpulsare weiter an. Im Juni 2023 veröffentlichte NANOGrav Daten aus 15 Jahren und lieferte den ersten Beweis für einen Schwerewellenhintergrund. Die Hellings-Downs-Kurven dieser Beobachtungen sind ein klarer Hinweis auf die Quelle der Schwerewellen.
Die Entstehung von Millisekundenpulsaren und ihre Erforschung des Universums offenbaren nicht nur die Entwicklung des Universums, sondern zwingen uns auch dazu, darüber nachzudenken, wie viele unbekannte Prozesse in diesem riesigen Sternenmeer darauf warten, von uns erforscht und verstanden zu werden ?
