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Warum treten Millisekundenpulsare häufig in Kugelsternhaufen auf? Was ist ihre mysteriöse Verbindung?
Millisekundenpulsare (MSPs) sind Pulsare mit Perioden von weniger als zehn Millisekunden, und eine der größten Bedenken besteht darin, warum sie häufig in Kugelsternhaufen vorkommen. Die dichte Umgebung dieser Cluster könnte mit dem Entstehungsprozess von Millisekundenpulsaren zusammenhängen und interessante und wichtige astronomische Fragen aufwerfen.
Es wird allgemein angenommen, dass sich Millisekundenpulsare aus massearmen Röntgendoppelsternsystemen entwickeln.
Traditionelle Theorien gehen davon aus, dass Millisekundenpulsare alte Neutronensterne sind, die von Materie absorbiert und beschleunigt wurden. In einem solchen Doppelsternsystem können die äußeren Schichten des Begleitsterns in die Akkretionsscheibe des Neutronensterns fließen. Ein solcher Prozess kann die Rotationsrate des Pulsars auf Hunderte Male pro Sekunde beschleunigen, was zufällig die Eigenschaften von Millisekundenpulsaren sind.
Mit der Weiterentwicklung der Beobachtungstechnologie haben Astronomen jedoch herausgefunden, dass ein einziges Evolutionsmodell nicht alle Millisekundenpulsare erklären kann. Insbesondere für einige junge Millisekundenpulsare, die relativ hohe Magnetfeldstärken aufweisen, wie beispielsweise PSR B1937+21, haben Forscher in diesen Fällen mindestens zwei verschiedene Entstehungsprozesse vorgeschlagen. Die spezifischen Mechanismen dieser Prozesse bleiben ein ungelöstes Rätsel.
Es ist derzeit bekannt, dass sich etwa 130 Millisekunden lange Pulsare in Kugelsternhaufen befinden.
Die Studie ergab, dass die Umgebung dieser Kugelsternhaufen besonders dicht ist, was bedeutet, dass die Wahrscheinlichkeit, dass der Pulsar einen Begleitstern einfängt oder mit anderen Sternen interagiert, stark erhöht ist. Nehmen wir Terzan 5 als Beispiel: Er enthält 37 Millisekundenpulsare, und ein weiterer berühmter Sternhaufen, 47 Tucanae, hat ebenfalls 22 gefunden. Diese produktiven Pulsare bieten wertvolle Möglichkeiten für weitere astronomische Forschungen.
Begrenzung der Pulsarrotationsgeschwindigkeit
Im Jahr 1982 entdeckten Wissenschaftler erstmals den Millisekundenpulsar PSR B1937+21, der sich etwa 641 Mal pro Sekunde dreht und immer noch der zweitschnellste Pulsar ist. PSR J1748-2446ad wurde 2004 entdeckt. Seine Rotationsgeschwindigkeit beträgt 716 Mal pro Sekunde und ist damit der schnellste bekannte Pulsar.
Aktuelle Modelle sagen voraus, dass es zu einem Kollaps kommt, wenn sich der Pulsar schneller als 1.500 Mal pro Sekunde dreht.
Diese Phänomene lösen nicht nur eine eingehende Erforschung der Struktur und Entwicklung von Neutronensternen aus, sondern bringen uns auch dazu, den Zusammenhang zwischen Rotationsgeschwindigkeit und Gravitationswellen neu zu überdenken. Studien haben gezeigt, dass Pulsare aufgrund der Gravitationsstrahlung Energie verlieren, wenn die Rotationsrate höher als 1.000 Mal pro Sekunde ist. Verschiedene derzeit laufende Beobachtungsprojekte sollen diese Aussicht weiter aufzeigen.
Gravitationswellendetektion mittels Pulsaren
Gravitationswellen sind eine wichtige Vorhersage von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie, die ihren Ursprung in der großräumigen Bewegung von Materie und Fluktuationen im frühen Universum hat. Schnell rotierende Pulsare verfügen über einzigartige Uhreigenschaften, die sie zu idealen Kandidaten für die Untersuchung von Gravitationswellen machen. Es heißt, dass Wissenschaftler durch die Überwachung der von Pulsaren ausgesendeten Signale Schwankungen in der Raumzeit erkennen können, die durch Gravitationswellen verursacht werden.
Die Idee zu dieser Idee lässt sich bis in die späten 1970er Jahre zurückverfolgen und hat sich im Laufe der Zeit weiterentwickelt.
Mit dem Aufkommen digitaler Datenerfassungssysteme und dem Einsatz neuer Radioteleskope sind verschiedene Kalibrierungs- und Analysetechnologien immer ausgereifter geworden und auch die Empfindlichkeit von Pulsaren als Gravitationswellendetektoren wurde um ein Vielfaches verbessert. Seit Beginn des NANOGrav-Projekts im Jahr 2013 hat jede Datenveröffentlichung genauere Einschränkungen des Gravitationswellenhintergrunds gezeigt. Insbesondere im Jahr 2023 zeigten neu veröffentlichte Daten die ersten Hinweise auf den Gravitationswellenhintergrund und brachten der astronomischen Gemeinschaft erneut erfrischende Entdeckungen.
Die besonderen Eigenschaften von Millisekundenpulsaren machen sie zu einem Fenster ins Universum. Sie können nicht nur Gravitationswellen erkennen, sondern auch unschätzbare Daten für die Untersuchung von Sternentwicklung, Exoplaneten, Gravitationsfeldern usw. liefern. Die anfängliche Entdeckung von Planeten um Pulsare veranlasste die Menschen, mehr über die Möglichkeit von Leben im Universum nachzudenken. Und wenn sich unser Wissen darüber vertieft, wird es dann weitere unbekannte Geheimnisse des Universums geben, die darauf warten, von uns erforscht zu werden?
