Vor 50 Jahren führte ein Zufallsfund in wissenschaftlichen Daten zur Entdeckung der Pulsare – schnell rotierender Sternleichen, die die Erde anzublinken scheinen.
Die Astronomin Jocelyn Bell machte die Zufallsentdeckung mit einem großen Radioteleskop in Cambridge (England). Obwohl es dafür gebaut wurde, um die zufälligen Helligkeitsschwankungen einer anderen Art von Himmelskörpern namens Quasaren zu messen, schrieb das rund 18.200 Quadratmeter große Teleskop alle 1,33730 Sekunden unerwartete Markierungen auf das Papier in Bells Datenrecorder. Die Spuren repräsentieren die Radiohelligkeit und offenbarten ein ungewöhnliches Phänomen.
“Die Pulse waren so regelmäßig, ähnlich wie eine tickende Uhr, dass Bell und ihr akademischer Berater Anthony Hewish nicht glauben konnten, ein natürliches Phänomen zu sehen”, sagte Zaven Arzoumanian vom Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt (Maryland). “Als sie ein zweites, drittes und viertes Beispiel gefunden hatten, begannen sie anders darüber zu denken.”
Die ungewöhnlichen stellaren Objekte wurden zuvor vorhergesagt, aber nie beobachtet. Heute kennen Wissenschaftler mehr als 2.000 Pulsare. Diese rotierenden, “leuchtturmähnlichen” Neutronensterne beginnen ihr Leben als Sterne mit Massen zwischen sieben und 20 Sonnenmassen. Manche rotieren hunderte Male pro Sekunde (schneller als die Klingen eines Mixers), und sie besitzen enorm starke Magnetfelder.
Technologische Fortschritte in den letzten 50 Jahren erlaubten Wissenschaftlern, diese kompakten stellaren Objekte in verschiedenen Wellenlängen vom Weltraum aus zu beobachten. Dazu gehören insbesondere Wellenlängen, die viel energiereicher sind als die vom Radioteleskop in Cambridge empfangenen Radiowellen. Mehrere aktuelle NASA-Missionen setzen die Untersuchung dieser natürlichen Leuchtfeuer fort.
Der Neutron star Interior Composition Explorer (NICER) ist die erste NASA-Mission, die sich speziell der Untersuchung von Pulsaren widmet. In Erinnerung an das Jubiläum von Bells Entdeckung beobachtete NICER den berühmten ersten Pulsar, der heute als PSR B1919+21 bezeichnet wird.
NICER startete Anfang Juni zur Internationalen Raumstation und begann im letzten Monat mit den wissenschaftlichen Operationen. Seine Röntgenbeobachtungen werden enthüllen, wie sich die Grundkräfte der Natur innerhalb der Kerne dieser Objekte verhalten – eine Umgebung die nirgendwo anders existiert und nachgebildet werden kann. Röntgenstrahlung ist der Teil des elektromagnetischen Spektrums, in dem sowohl ihre Millionen Grad heißen, festen Oberflächen als auch ihre starken Magnetfelder leuchten. “Was befindet sich in einem Pulsar?” ist eine von vielen ausstehenden astrophysikalischen Fragen über diese ultradichten, schnell rotierenden und stark magnetischen Objekte.
Der “Stoff” aus dem Pulsare bestehen, ist eine Ansammlung von Teilchen, die Wissenschaftler aus über einem Jahrhundert an Laborforschungen auf der Erde kennen: Neutronen, Protonen, Elektronen und vielleicht sogar deren eigene Bestandteile namens Quarks. Unter solch extremen Druck- und Dichtebedingungen sind ihr Verhalten und ihre Wechselwirkungen allerdings nicht gut verstanden. Neue, genaue Messungen, insbesondere der Größen und Massen von Pulsaren, sind erforderlich, um die Theorien zu präzisieren.
“Viele Kernphysikmodelle wurden entwickelt, um den Aufbau von Neutronensternen basierend auf verfügbaren Daten und den von ihnen gesetzten Grenzen zu erklären”, sagte Keith Gendreau vom Goddard Space Flight Center, leitender Wissenschaftler der NICER-Mission. “NICERs Empfindlichkeit, das Auflösungsvermögen der Röntgenenergien und das zeitliche Auflösungsvermögen werden diese Modelle verbessern, indem sie die Radien von Pulsaren präziser messen werden bis in Größenordnungen, die heutige Messungen übertreffen.”
Die Mission wird außerdem den Weg für zukünftige Weltraumforschung ebnen, indem sie dabei hilft, eine GPS-ähnliches System für die Galaxie zu entwickeln. Die implementierte Station Explorer for X-ray Timing and Navigation Technology (SEXTANT) wird NICERs Röntgenbeobachtungen von Pulsarsignalen nutzen, um NICERs exakte Position im Orbit zu bestimmen.
“Man kann die Pulse von Pulsaren messen, die in viele Richtungen um ein Raumfahrzeug liegen, um festzustellen, wo sich das Raumfahrzeug befindet und es zu einem anderen Ort zu navigieren”, sagte Arzoumanian, ebenfalls wissenschaftlicher Leiter der NICER-Mission. “Genau so funktioniert das GPS auf der Erde, wobei die Satelliten präzise funktionierende Uhren an Bord haben.” Wissenschaftler haben diese Methode mit Computer- und Laborsimulationen getestet. SEXTANT wird erstmals pulsarbasierte Navitagion im Weltraum demonstrieren.
NICER-SEXTANT ist die erste Astrophysik-Mission, die sich der Erforschung von Pulsaren widmet – rund 50 Jahre nach ihrer Entdeckung. “Ich denke, sie wird viel mehr wissenschaftliche Entdeckungen machen, als wir jetzt voraussehen können”, sagte Gendreau.
NICER-SEXTANT ist eine Zwei-in-Eins-Mission. NICER ist eine Astrophysics Mission of Opportunity des NASA Explorer Program, das regelmäßige Fluggelegenheiten für hochqualitative, weltraumbasierte, wissenschaftliche Beobachtungen auf dem Gebiet der Sonnen- und Astrophysik bereitstellt und schlanke, effiziente Managementansätze nutzt. Das Space Technology Mission Directorate der NASA unterstützt die SEXTANT-Komponente der Mission, die pulsarbasierte Navigation für Raumfahrzeuge demonstrieren wird.
(THK)
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