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Wie werden tote Sterne zu kosmischen Atomuhren? - Pulsare: Die Leuchttürme aus Sternenleichen | Fakten zum Einschlafen - Das Universum · Fakten zum Einschlafen – Das Universum

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Willkommen bei Fakten zum Einschlafen. Das Universum.
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Das Universum hat die merkwürdige Angewohnheit,
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seine zuverlässigsten Instrumente aus den Trümmern
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von Katastrophen zu formen. Wenn ein massereicher
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Stern am Ende seines Lebens seinen Kernbrennstoff
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erschöpft, kollabiert dieser in einer Sekunde
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zu einem Objekt von unvorstellbarer Dichte, einem
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Neutronenstern. Rotiert dieser Stell -Ara Leichnam
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und besitzt er ein extrem starkes Magnetfeld,
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sendet er gebündelte Strahlung wie ein kosmischer
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Leuchtturm in den Raum aus. Diese Episode beleuchtet
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den gesamten Weg von der gewaltsamen Geburt bei
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einer Supernova bis zur Entdeckung dieser regelmäßigen
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Radiosignale durch Jocelyn Bell im Jahr 1967.
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Wir betrachten die extreme Physik dieser Objekte,
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bei denen eine gesamte Sonnenmasse auf die Größe
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einer Stadt zusammengepresst ist, und erklären,
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warum Pulsare mit der Präzision von Atomuhren
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ticken. Darüber hinaus geht die Folge der Frage
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nach, warum diese Überreste toter Sterne für
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die moderne Forschung unverzichtbar geworden
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sind. Wir betrachten, wie Pulsare als natürliche
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Laboratorien für Zustände dienen, die auf der
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Erde nicht herstellbar sind, und wie Astronomen
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ihre metronomischen Signale nutzen, um den Durchgang
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von Gravitationswellen aus fernen Galaxien nachzuweisen.
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Von der indirekten Bestätigung von Einsteins
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Relativitätstheorie bis hin zur zukünftigen Navigation
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im tiefen Raum zeigen sich Pulsare als vielseitige
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kosmische Werkzeuge. Bei der Arbeit an dieser
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Episode kehrte ich immer wieder zu einer Frage
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zurück, wie kann aus der gewaltsamsten Explosion,
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die das Universum hervorbringen kann, ein Objekt
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entstehen, dessen Wesen absolute Beständigkeit
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ist. Mich fasziniert der Gedanke, dass wir heute
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Signale empfangen, deren Reise vor tausenden
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von Jahren begann, und dass wir gelernt haben,
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in diesen gleichmäßigen Pulsen die verborgenen
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Bewegungen der Armzeit selbst zu lesen. Es ist
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eine leise Erinnerung daran, dass das Universum
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ständig zu uns spricht, wenn wir nur geduldig
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genug zuhören. Das Universum hat die merkwürdige
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Angewohnheit, seine zuverlässigsten Instrumente
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aus den Trümmern von Katastrophen zu formen.
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Tote Sterne, die mit der Präzision von Atomuhren
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rotieren und ihre Leuchtturmsignale über Jahrtausende
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hinweg aussenden. Für jeden, der geduldig genug
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ist, zuzuhören. Ein Stern stirbt in Stille, lange
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bevor wir ihn fallen sehen. Millionen von Jahren,
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vielleicht eine Milliarde, verbrennt er den Wasserstoff
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in seinem Kern. Er verschmilzt leichtere Elemente
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zu schwereren. In einer Kette, die das Periodensystem
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hinaufklettert wie eine Leiter. Wasserstoff wird
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zu Helium. Helium wird zu Kohlenstoff und Sauerstoff.
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Dann zu Neon und Magnesium, zu Silizium und schließlich
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zu Eisen. Beim Eisen endet diese Leiter. Der
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Stern hat eine Schwelle erreicht, von der seine
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eigene Physik ihn nicht mehr zurückweichen lässt.
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Der Kern verdichtet sich mit dieser Asche, diesem
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Metall, das nicht brennen kann. Und etwas im
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Inneren des Sterns beginnt nachzugeben. Wir glauben
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zu verstehen, was Gleichgewicht ist. Wir spüren
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es in unserem eigenen Körper, das Gleichgewicht
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zwischen dem Gewicht, das nach unten drückt,
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und der Kraft, die dagegen hält. Ein Stern lebt
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in derselben Spannung. Die Schwerkraft zieht
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nach innen, die Strahlung der Kernfusion drückt
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nach außen. Während des größten Teils seines
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Lebens halten diese beiden Kräfte einander in
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einer Art Gespräch, einer dauerhaften Übereinkunft,
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die den Stern zusammenhält. Doch wenn sich Eisen
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im Kern ansammelt, bricht dieses Gespräch zusammen.
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Eisen kann durch Fusion keine Energie freisetzen.
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Es liegt einfach da, sammelt Masse an, wird schwerer,
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verdichter. Bis die Elektronen in seinen Atomen
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so nah an ihre Kerne gepresst werden, dass sie
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dem Druck nicht länger standhalten können. Was
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dann geschieht, dauert etwa eine Sekunde. Ein
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Kern, der sich über Tausende von Kilometern erstreckte,
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der vielleicht die anderthalbfache Masse unserer
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gesamten Sonne enthielt, kollabiert zu einer
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Kugel von kaum 20 Kilometern Durchmesser. Das
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Material stürzt mit einem Viertel der Lichtgeschwindigkeit
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nach innen. Die äußeren Schichten des Sterns,
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noch brennend, noch ahnungslos, prallen auf diese
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unvorstellbar dichte Oberfläche. Sie werden in
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einer Explosion zurückgeschleudert, die das vereinte
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Licht aller Sterne ihrer Galaxie überstrahlen
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kann. Wir nennen das eine Typ C, Supernova. Für
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ein paar Wochen kann sie das hellste Objekt am
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Himmel sein. Doch uns interessiert, was übrig
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bleibt. Nicht das Lichtspektakel, der Leichnam.
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In jenem winzigen Bereich im Zentrum wurde Materie
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auf eine Weise zusammengepresst, die es nirgendwo
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sonst im beobachtbaren Universum gibt. Die Atome
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selbst wurden zermalmt. Elektronen, in die Protonen
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der Kerne gezwungen, verschmelzen mit ihnen zu
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Neutronen. Ein nahezu masseloses Teilchen namens
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Neutrino entweicht bei diesem Vorgang. Diese
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Neutrinos tragen ungefähr 99 Prozent der bei
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der Explosion freigesetzten Energie davon. Sie
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sind die wahren Boten der Katastrophe und erreichen
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uns Stunden vor dem Licht. So beschah es im Februar
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1987. Detektoren auf der Erde zeichneten einen
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Schauer von Neutrinos von der Supernova 1977
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CK in der großen Magellanschen Wolke auf. Mehrere
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Stunden. bevor die Explosion am Himmel sichtbar
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wurde. Was zurückbleibt, ist ein Neutronenstern.
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Und um zu begreifen, was dieses Objekt ist, müssen
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wir unsere gewohnten Vorstellungen von Materie
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und Raum beiseite legen. Stellen Sie sich die
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gesamte Masse unserer Sonne vor. Jener Körper,
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um den acht Planeten kreisen. Jener Körper, dessen
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Masse die der Erde um den Faktor 330 .000 übersteigt.
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Zusammengepresst zu einer Kugel von der Größe
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einer bescheidenen Stadt. Bremen. Hannover. Man
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könnte sie in einer halben Stunde durchqueren,
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wenn es Straßen gäbe. Wenn es so etwas wie eine
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Oberfläche gäbe, auf der man stehen könnte. Aber
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das gibt es nicht. Die Dichte dieses Objekts
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erreicht 10 hoch 17 Kilogramm pro Kubikmeter.
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Das ist das 100 Billiarden Fache der Dichte von
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Wasser. Es ist die Dichte, die wir im Inneren
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von Atomkernen finden. Aber hier ist sie nicht
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auf einen mikroskopischen Maßstab beschränkt.
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Hier ist sie der Stoff eines gesamten Sternenkörpers.
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Um das begreiflich zu machen, wenn man alle sieben
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Milliarden Menschen der Erde sammeln und zusammendrücken
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könnte, bis ihre Atome sich berühren, bis der
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gesamte leere Raum in ihnen und zwischen ihnen
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verschwunden wäre, würde die entstehende Masse
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in einen Zuckerwürfel passen. Ein Neutronenstern
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ist dieses Prinzip, getrieben bis zum absoluten
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Extrem. Nicht nur die Verdichtung von Menschen,
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sondern die einer ganzen Sonnenmasse. Jedes Proton
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und jedes Elektron zur Vereinigung gezwungen,
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bis das Objekt im Wesentlichen ein einziger gewaltiger
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Atomkern ist, 20 Kilometer breit. Die Schwerkraft
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an der Oberfläche ist so extrem, dass ein Mensch,
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der dort stünde, falls stehen möglich wäre, das
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100 Milliardenfache seines irdischen Gewichts
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wiegen würde. Ein Berg könnte sich nicht mehr
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als ein paar Millimeter über diese Oberfläche
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erheben. Die Schwerkraft würde ihn sofort plattdrücken.
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Ließe man einen Kieselstein aus Hüfthöhe fallen,
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träfe er mit Tausenden von Kilometern pro Sekunde
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auf die Oberfläche, hinabgezogen von einem so
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steilen Schacht. dass die Flucht eine Geschwindigkeit
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von nahezu der Hälfte der Lichtgeschwindigkeit
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erfordern würde. Die Krümmung der Raumzeit selbst
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wird in der Nähe eines Neutronensterns so ausgeprägt,
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dass sich Licht messbar um ihn herum biegt. Ein
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Beobachter in der Ferne sähe nicht nur die zugewandte
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Halbkugel, sondern auch einen Streifen der abgewandten
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Seite. Das Licht um die Krümmung gebogen wie
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Wasser, das um einen Stein fließt. Das ist das
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Objekt, das zurückbleibt. Ein stellarer Leichnam,
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der von Temperaturen abkühlt, die einst eine
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Million Grad überstiegen. Nicht länger durch
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Fusion am Leben gehalten, sondern nur noch durch
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die Restwärme seiner gewaltsamen Geburt. Er wird
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über Millionen von Jahren abkühlen und allmählich
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verblassen. Doch er ist noch nicht fertig, damit
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uns zu überraschen. Es gibt einen Moment, nachdem
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die Zahlen ausgesprochen sind, in dem der Verstand
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versucht und scheitert, dieses Objekt in gewöhnlichen
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Begreifen festzuhalten. Wir können die Worte
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sagen, statt große Sonne, milliardenschwere Menschen,
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Licht, das sich um eine Kugel biegt. Und doch
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bleibt der Neutronenstern irgendwie außerhalb
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der Reichweite der Anschauung, wie eine Farbe,
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für die wir keinen Namen haben. Er existiert
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an einer Schwelle. an der die Materie selbst
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ihren Charakter verändert, wo die vertrauten
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Kategorien von fest und flüssig, von Teilchen
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und Welle sich in etwas Fremderes aufzulösen
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beginnen. Das ist ein Teil dessen, was Astronomen
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dazu zieht, ihn zu erforschen. Der Neutronenstern
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ist nicht bloß eine extreme Version gewöhnlicher
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Dinge. Er ist ein Blick in eine Physik, die wir
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auf der Erde nicht nachbilden können. Ein natürliches
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Labor, in dem die Regeln, die wir in der Schule
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gelernt haben, nicht mehr gelten. Ein Neutronenstern
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allein ist noch kein Pulsar. Zwei zusätzliche
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Eigenschaften, direkt aus dem Kollaps geerbt,
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der ihn erschuf, verwandeln diesen Totenstern
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in etwas völlig anderes. Die erste ist Rotation.
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Die zweite ist Magnetismus. Und beide entspringen
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demselben physikalischen Prinzip. der Haltung
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des Drehimpulses. Denken Sie an eine Eiskunstläuferin,
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die bei einer Pirouette die Arme eng an den Körper
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zieht. Wenn ihr Radius schrumpft, beschleunigt
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sich ihre Drehung. Dasselbe geschieht mit einem
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Stern. Ein massereicher Stern rotiert vielleicht
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einmal alle 30 Tage wie unsere eigene Sonne.
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Wenn sein Kern von Tausenden von Kilometern auf
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ein paar Dutzend kollabiert, verstärkt sich diese
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Rotation dramatisch. Der schnellste bekannte
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Pulsar, bezeichnet als Psyenut 74847, dreht sich
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716 Mal pro Sekunde. Ein Punkt an seinem Äquator
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bewegt sich mit etwa einem Viertel der Lichtgeschwindigkeit.
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Der Stern selbst ist ein Wischer, eine Kugel,
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die in einer Sekunde mehr Umdrehungen vollendet,
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als ihr Herz in 10 Minuten Schläge macht. Das
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Magnetfeld erfährt eine ähnliche Verdichtung.
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Ein Stern, der ein moderates Magnetfeld besaß,
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vielleicht etwas stärker als das unserer Sonne
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erlebt, wie dieses Feld mit allem anderen nach
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innen gezogen und verstärkt wird. Typische Pulsar
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-Magnetfelder reichen von 10 hoch 8 bis 10 hoch
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9 Tesla. Zum Vergleich, das Magnetfeld der Erde
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misst ungefähr 15 .000 Stel Tesla. Ein starker
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Hufeisenmagnet erreicht vielleicht ein Zehntel
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Tesla. Die stärksten künstlichen Magnetfälle,
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die Menschen erzeugt haben, nur in kurzen Impulsen
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aufrechterhalten, erreichen etwa 100 Tesla. Das
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Feld eines Pulsars ist eine Milliarde mal stärker.
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Es ist eine Milliarde Milliarden mal stärker
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als das Feld, das ihren Kompass lenkt. Aus der
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Verbindung dieser extremen Rotation und dieses
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unvorstellbaren Magnetismus entsteht das Phänomen,
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das den Pulsaren ihren Namen gibt. Die magnetischen
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Pole eines Neutronensterns fallen selten mit
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seinen Rotationspolen zusammen. Sie sind geneigt,
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oft erheblich. An diesen magnetischen Polen werden
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geladene Teilchen, Elektronen und ihre Antimateriegegenstücke.
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Positronen genannt, in enormen Mengen beschleunigt.
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Sie bewegen sich entlang der Magnetfeldlinien
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mit nahezu Lichtgeschwindigkeit und senden dabei
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elektromagnetische Strahlung aus. Weil die magnetische
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Achse gegenüber der Rotationsachse geneigt ist,
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fegen diese Zwillingstrahlen wie die Strahlen
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eines Leuchtturms durch den Raum. Wenn einer
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dieser Strahlen zufällig die Erde trifft, registrieren
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wir bei jeder Umdrehung des Sterns einen Strahlungsblitz.
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Die Abstände zwischen diesen Blitzen sind so
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regelmäßig, so außerordentlich beständig, dass
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die präzisesten Pulsare es in ihrer Zuverlässigkeit
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mit unserem besten Atomuhren aufnehmen können.
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Die Entdeckung dieses Phänomens gehört zu den
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denkwürdigeren Episoden der modernen Astronomie.
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Im Sommer und Herbst 1977 arbeitete eine Doktorandin
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namens Jocelyn Bell an der University of Cambridge
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und untersuchte, Aufzeichnungen eines neu errichteten
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Radioteleskops. Sie erforschte die Szentilation
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von Radioquellen, die Art, wie sie flackern und
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variieren. Das Teleskop war nach modernen Maßstäben
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eine bescheidene Angelegenheit. Viereinhalb Arkes
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Holzpfosten und Drahtgeflecht in einem Feld angeordnet.
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Aber es war empfindlich genug, um schwache Radiomissionen
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aus der ganzen Galaxie aufzufangen. Bell arbeitete
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in einem kleinen Raum in der Nähe und ging Papieraufzeichnungen
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durch, die in langen Bändern aus dem Instrument
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quollen. Kilometerlang, bedeckt mit Tintenspuren,
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die den unsichtbaren Radiohimmel darstellten.
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Eines Tages, beim Durchsehen dieser Aufzeichnungen,
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bemerkte sie etwas Merklürdiges. Ein schwaches,
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sich wiederholendes Muster von Pulsen. die in
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Abständen von exakt 1 ,337 Sekunden eintrafen.
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Die Regelmäßigkeit war so auffallend, so unähnlich
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allem Natürlichen, das ihr begegnet war, dass
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sie wochenlang damit verbrachte, das Signal zu
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bestätigen. Sie schloss Störungen von irdischen
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Quellen aus und prüfte, ob es sich mit den Sternen
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bewegte oder fest mit der rotierenden Erde verbunden
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blieb. Die Pulse waren zu schnell für die natürliche
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Variation eines Sterns, zu langsam für die meisten
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bekannten astronomischen Prozesse. Die Regelmäßigkeit
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war so auffallend, so unähnlich allem Natürlichen,
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das ihr begegnet war, dass sie und ihr Betreuer
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zunächst halb im Scherz spekulierten, es könne
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künstlich sein. Vielleicht sogar ein Signal einer
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außerirdischen Zivilisation. Sie nannten es LGM1
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für Little Green Men. kleine grüne Männchen.
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Innerhalb weniger Wochen fand Bell ein zweites
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Signal, ebenso regelmäßig, aber mit einer völlig
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anderen Periode in einem anderen Teil des Himmels.
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Die Hypothese intelligenter Kommunikation brach
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zusammen. Keine Zivilisation würde von zwei Orten
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mit unterschiedlichen Rhythmen senden. Dies war
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ein natürliches Phänomen, ein kosmisches. Und
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Bell war die erste Person geworden, die einen
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Pulsar entdeckt hatte. Das ursprüngliche Signal
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stammte, wie wir heute wissen, von einem Pulsar
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mit der Bezeichnung Psyomith 1929. 21. Der Nobelpreis
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für Physik für diese Entdeckung wurde 1974 an
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Anthony Hivish verliehen. Bells Betreuer. Bell
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selbst, die das Signal erkannt hatte, die seine
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Bedeutung verstanden hatte. wurde übergangen.
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Das bleibt eine der meist diskutierten Fehlentscheidungen
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in der Geschichte des Preises. Bell hat stets
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mit charakteristischer Würde reagiert und darauf
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hingewiesen, dass die Pulserforschung in den
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folgenden Jahrzehnten aufblühte. 2018 erhielt
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sie den Breakthrough -Preise in Fundamental Physics.
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Sie spendete das Preisgeld von rund drei Millionen
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Dollar an eine Stiftung, die unterrepräsentierte
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Gruppen in der Physik unterstützt. Seit Bells
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Entdeckung wurden ungefähr 3500 Pulsare identifiziert,
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die meisten innerhalb unserer eigenen Milchstraße.
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Sie lassen sich in Kategorien einteilen, die
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jeweils ihre eigene Geschichte erzählen. Die
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klassischen Pulsare, auch rotationsgetriebene
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Pulsare genannt, haben Perioden von etwa einer
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Zehntelsekunde bis zu 10 Sekunden. Sie beziehen
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ihre Energie aus der Rotation selbst und wandeln
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ihren Drehimpuls langsam in Strahlung um. Jede
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Umdrehung kostet sie einen winzigen Bruchteil
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ihres Spins und sie werden allmählich langsamer.
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Diese Verlangsamung ist messbar, aber so allmählich,
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dass ein typischer Pulsar Millionen von Jahren
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als solcher sichtbar bleibt. Dann... Gibt es
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die Millisekundenpulsare? Sie rotieren mit Perioden
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zwischen 1, 4 und etwa 30 Millisekunden, hunderte
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Male pro Sekunde. Sie sind im Allgemeinen älter
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als klassische Pulsare mit schwächeren Magnetfeldern.
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Und sie haben eine ungewöhnliche Geschichte durchlaufen.
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Astronomen glauben, dass sie als Bestandteile
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von Doppelstandsystemen begannen. Materie von
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einem Begleitstern strömte auf den Neutronenstern,
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ein Prozess namens Akkretion. Dieses einfallende
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Gas übertrug seinen Drehimpuls und beschleunigte
19:30
den Neutronenstern wie eine Töpferscheibe. Millisekundenpulsare
19:35
werden manchmal als durch Akkretion wiedergeboren
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beschrieben. Eine dritte, exotischere Klasse
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bilden die Magnetare. Das sind Neutronensterne
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mit Magnetfeldern, die tausendmal stärker sind
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als die gewöhnliche Pulsare und 10 hoch 11 Tesla
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erreichen. Magnetare können in unregelmäßigen
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Abständen gewaltige Ausbrüche von Röntgen - und
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Gamma -Strahlung aussenden. Das berühmteste solche
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Ereignis, ein riesiger Flare des Magnetars, SIGSO
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106 UNUT 26 im Dezember 2004, setzte so viel
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Energie frei, dass er für den Bruchteil einer
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Sekunde das gesamte sichtbare Universum in Gammastrahlen
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überstrahlte. Und dann, im nächsten Moment, die
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erstaunliche Konsequenz, dieser tote Stern, mehr
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als 40 .000 Lichtjahre entfernt, hatte die obere
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Ionosphäre der Erde messbar verändert. Ein Stellarver
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Leichnam. unvorstellbar weit weg, hatte die Atmosphäre
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unseres Planeten berührt. Um zu verstehen, wie
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Pulsare als kosmische Labore dienen, brauchen
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wir ein Beispiel, das uns den Leuchtturm -Mechanismus
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über das gesamte elektromagnetische Spektrum
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hinweg in Aktion zeigt und das in lebendigem
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Detail bestätigt, was die Theorie vorhersagt.
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Der Krebsspulsar erfüllt diesen Zweck. Aufs Genaueste.
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Der berühmteste Pulsar ist derjenige, der in
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den Krebsnebel im Sternbildstier eingebettet
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ist. Der Krebsnebel ist der Überrest einer Supanova,
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die von chinesischen und arabischen Astronomen
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im Juli des Jahres 144 beobachtet wurde. Sie
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verzeichneten einen neuen Stern, der so hell
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war, dass er 23 Tage lang am Tag sichtbar war.
21:41
und fast zwei Jahre lang mit bloßem Auge sichtbar
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blieb. Im Zentrum der expandierenden Gaswolke,
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die zurückbleibt, rotiert ein Neutronenstern
21:52
mit einer Periode von etwa 33 Millisekunden,
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ungefähr 30 Mal pro Sekunde. Moderne Instrumente
22:01
weisen ihn im gesamten elektromagnetischen Spektrum
22:05
nach. Von Radiowellen über sichtbares Licht bis
22:10
zu Röntgen und Gamma -Strahlen. Aufnahmen des
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Hubble -Weltraumteleskops zeigen wirbelnde Gasfilamente,
22:17
durchzogen von schimmernden blauen Strahlungswolken,
22:21
die direkt vom Pulsar gespeist werden. Die Energie,
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die dieser Pulsar pro Sekunde abstrahlt, übertrifft
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die Gesamtleuchtkraft unserer Sonne um den Faktor
22:30
75 .000. Und doch verlangsamt sich seine Rotation
22:34
nur um etwa 38 Millionen Stellsekunden pro Jahr.
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Aus dieser winzigen Verlangsamung lässt sich
22:41
die exakte Energieabgabe berechnen. Und sie stimmt
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mit bemerkenswerter Präzision mit dem Überein,
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was wir im umgebenden Nebel leuchten sehen. Es
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ist eine der elegantesten Bestätigungen, die
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unsere physikalischen Theorien je erhalten haben.
22:58
Doch Pulsare sind nicht nur schöne Objekte, sie
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sind außerordentlich wertvolle wissenschaftliche
23:05
Instrumente. Sie dienen als kosmische Uhren,
23:09
als Werkzeuge, mit denen wir die Eigenschaften
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der Raumzeit selbst untersuchen können. 1974
23:16
entdeckten Russell Hulse und Joseph Taylor an
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der University of Massachusetts ein System, das
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die Astrophysik verändern sollte. Es war der
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erste bekannte Doppelpulsar. bezeichnet als Psior
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B1930 -16. Zwei Neutronensterne umkreisen einander
23:34
in einem engen Tanz und vollenden alle sieben
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Dreiviertelstunden einen vollen Umlauf. Einer
23:41
von ihnen ist ein Pulsar und seine Signale verraten
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die präzise Bahn beider Körper. Pulse und Taylor
23:49
verfolgten dieses System über Jahre und stellten
23:52
fest, dass die Umlaufzeit allmählich kürzer wurde.
23:56
Die beiden Sterne spiralten Jahr für Jahr in
23:59
winzigen Schritten enger zusammen. Diese Kontraktion
24:02
stimmte mit einer Genauigkeit von weniger als
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einem Prozent mit den Vorhersagen überein, die
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Albert Einstein 1916 in seiner allgemeinen Relativitätstheorie
24:12
gemacht hatte. Beschleunigte Massen, so hatte
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Einstein vorgeschlagen, senden Gravitationswellen
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aus, Kräuselungen im Gewebe der Raumzeit selbst.
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Diese Abschralung lässt das Doppelstern -System
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Energie verlieren. Hulse und Taylor erhielten
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1993 den Nobelpreis für Physik für diesen ersten
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indirekten Nachweis von Gravitationswellen. Der
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direkte Nachweis musste bis September 2015 warten.
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Damals registrierte das Laserinterferometer Gravitationswellen
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-Observatorium, LIGO, das erste eindeutige Signal.
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Doch Pulsare hatten die Existenz dieser Wellenjahrzehnte
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zuvor angekündigt. Heute bleiben Pulsare unverzichtbare
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Werkzeuge der Gravitationswellenforschung, die
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nach einem Prinzip außerordentlicher Geduld und
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Größenordnung arbeiten. Mehrere Forschungskonsortien
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unterhalten Langzeitbeobachtungen von Netzwerten
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aus Millisekundenpulsaren. Sie suchen nach winzigen
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Abweichungen in deren Ankunftszeiten, die den
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Durchgang von Gravitationswellen verschmelzender
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Supermasse -Eicher, schwarzer Löcher in fernen
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Galaxien anzeigen würden. Die Methode ist elegant
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in ihrer Einfachheit, auch wenn die Durchführung
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jahrzehntesorgfältiger Arbeit erfordert. Betrachten
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wir, wie sie funktioniert. Ein Pulsar sendet
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seinen Strahl mit metronomischer Regelmäßigkeit
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aus. Nach Jahren der Beobachtung können Astronomen
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die Ankunftszeit jedes Pulses auf Mikrosekunden
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genau vorhersagen. Der Puls heißt durch den Raum,
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durch das interstellare Medium, über Tausende
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oder Zehntausende von Lichtjahren. Und er erreicht
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unsere Radioteleskope hier auf der Erde. Stellen
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Sie sich nun vor, dass eine Gravitationswelle
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zwischen dem Pulsar und uns hindurchläuft. Diese
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Welle ist eine Kräuselung der Raumzeit selbst,
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eine Dehnung und Stauchung des Gewebes, durch
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das der Puls reißt. Der Puls kommt etwas früher
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oder etwas später an als vorhergesagt. Nicht
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weil der Pulsar sich verändert hat, sondern weil
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die Entfernung zwischen uns und dem Pulsar durch
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die vorbeiziehende Welle subtil verändert wurde.
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Ein einzelner Pulsar kann diesen Effekt nicht
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von anderen Quellen zeitlicher Schwankungen unterscheiden.
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Aber ein Array aus vielen Pulsaren über die Galaxie
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verstreut und gleichzeitig über Jahre und Jahrzehnte
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beobachtet, kann es. Eine Gravitationswelle von
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einer fernen Quelle würde alle Pulsare in einem
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charakteristischen Muster beeinflussen, eine
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koalierte Abweichung, die über das Array hinwegfegt.
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Durch den Vergleich Der Ankunftszeiten von Pulsen
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dutzender Millisekundenpulsare können Astronomen
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nach diesem Muster suchen. Sie können lokales
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Rauschen sowie individuelle Schwankungen herausfiltern,
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um das gemeinsame Signal sichtbar zu machen.
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Diese Pulsar Timing Arrays funktionieren wie
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ein Detektor im galaktischen Maßstab und nutzen
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die Milchstraße selbst als ihr Instrument. Das
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North American Nanoherz Observatory for Gravitational
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Waves, das European Pulsar Timing Array und ähnliche
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Kooperationen in Australien, China, Indien und
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Südafrika bauen ihre Datensätze seit 20 Jahren
27:49
und länger auf. Jede Beobachtung ist ein kleiner
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Zuwachs zu einer gewaltigen kumulativen Aufzeichnung.
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Die Pulsare selbst leisten die harte Arbeit und
28:00
halten die Zeit mit unmenschlicher Präzision,
28:03
während die Astronomen warten, sammeln, vergleichen.
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Im Sommer 2023 gaben mehrere internationale Kollaborationen
28:13
bekannt, dass sie nach Jahrzehnten der Beobachtung
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den ersten starken Hinweis auf einen Gravitationswellen
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-Hintergrund im niederfrequenten Bereich gefunden
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hatten. Dieser Hintergrund stammt wahrscheinlich
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von Millionen einzelner Paare supermassereicher
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schwarzer Löcher, die in fernen Galaxien einander
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umkreisen und verschmelzen. Es ist ein gewaltiges
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Summen der Raumzeit, ein leises Grundrauschen
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des Universums, hörbar gemacht durch die empfindlichen
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Uhren der Pulsare. Das Signal wird noch verfeinert,
28:47
die Zuversicht wächst mit jedem weiteren Jahr
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an Daten. Aber die Implikation ist bereits tiefgreifend.
28:54
Wir haben unsere Galaxie in ein Abhörgerät verwandelt
28:58
und wir beginnen, den tiefsten Ton zu hören,
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den das Universum je gespielt hat. Pulsare lehren
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uns auch etwas über die innere Struktur der Materie
29:08
und hier bleibt unser Verständnis unvollständig.
29:12
In der äußeren Schicht eines Neutronensterns,
29:16
nur wenige hundert Meter dick, bildet sich eine
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feste Kruste aus Atomkernen und freien Elektronen.
29:24
angeordnet in einem Gitter. Nicht unähnlich gewöhnliche
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Materie auf der Erde. Darunter liegt eine Schicht,
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in der die Kernphysik seltsam wird. Physiker,
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die nach irgendeiner vertrauten Analogie greifen,
29:38
um diese völlig fremden Strukturen zu beschreiben,
29:42
nennen dies Kernnudeln. Atomkerne. die in Konfigurationen
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gepresst werden, die je nach Tiefe und Dichte
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langen, verhedderten Strängen ähneln oder destapelten
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Schichten oder von Löchern durchzogenen Gittern.
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Der Name ist verspielt, aber die Physik ist es
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nicht. Diese Formen repräsentieren das Gleichgewicht
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zwischen nuklearer Anziehung und elektrostatischer
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Abstoßung bei Dichten jenseits von allem, was
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wir herstellen können. Noch tiefer liegt ein
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suprafluides Meer aus Neutronen, eine Flüssigkeit,
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die ohne Reibung fließt. Daneben existiert eine
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supraleitende Mischung aus Protonen, die elektrischen
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Strom ohne Widerstand leitet. Im äußersten Zentrum,
30:29
bei Dichten jenseits von allem, was wir nachbilden
30:33
können, könnten exotische Zustände existieren.
30:37
Dort könnten die einzelnen Quarks, aus denen
30:40
Neutronen bestehen, frei werden. Und das Bilden,
30:43
was Physiker ein Quark -Gluon -Plasma nennen.
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Das bleibt eine der großen offenen Fragen der
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Physik. Und Pulsare dienen als natürliche Labore,
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in denen diese Bedingungen untersucht werden
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können. Jedes Detail ihrer Strahlung, jede winzige
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Unregelmäßigkeit in ihrer Rotation bietet Hinweise
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darauf, was sich in ihrem unzugänglichen Inneren
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verbirgt. Ein solcher Hinweis kommt von Glitches,
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plötzlichen, kleinen Sprüngen in der Rotationsgeschwindigkeit
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eines Pulsars. Normalerweise wird ein Pulsar
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gleichmäßig langsamer, aber gelegentlich für
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kurze Momente dreht er sich schneller, bevor
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er seine allmähliche Verlangsamung wieder aufnimmt.
31:29
Diese Glitches deuten darauf hin, dass das Innere
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kein ftares Ganzes ist. Vielmehr scheint die
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feste Kruste in einer Art gespanntem Verhältnis
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zum superfluiden Inneren zu stehen. Gelegentlich
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rutscht das eine gegen das andere, wie tektonische
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Platten auf der Erde, die angestaute Spannung
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in einem Erdbeben feisetzen. Solche Sternbeben
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können die Kruste eines Neutronensterns aufreißen.
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obwohl diese Wisse wegen der extremen Schwerkraft
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kleiner als ein paar Millimeter bleiben. Doch
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selbst diese winzigen Brüche genügen, um die
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Rotation des gesamten Sterns messbar zu verändern.
32:13
Pulsare haben sich auch als Navigationshilfen
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bewährt. Die Idee reicht weit zurück, aber erst
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in den letzten Jahren wurde sie ernsthaft getestet.
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Da jeder Pulsar auf seiner eigenen charakteristischen
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Frequenz endet, können sie als kosmische Leuchtfeuer
32:31
zur Bestimmung der Position eines Raumfahrzeugs
32:34
dienen. Mit mehreren bekannten Pulsaren und ihren
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präzisen Pulsmustern ließe sich theoretisch weit
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außen im Sonnensystem oder sogar darüber hinaus
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eine Positionsbestimmung vornehmen, ähnlich wie
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GER -Satelliten uns auf der Erde dienen. 2018
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demonstrierte die NASA Dieses Prinzip mit einem
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Experiment namens Sextant an Bord der Internationalen
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Raumstation. Sie zeigte, dass Röntgenpuls -R
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-Navigation eine Genauigkeit von wenigen Kilometern
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erreichen kann. Künftige Raumfahrzeuge, die sich
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in das äußere Sonnensystem oder den interstellaren
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Raum wagen, könnten ihren Weg finden, indem sie
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Signale von längst toten Sternen lesen. Selbst
33:20
wenn sie fern und unzugänglich erscheinen, sind
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Pulsare nicht von uns getrennt. Sie bilden ein
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Netzwerk von Leuchtfeuern, das sich durch unsere
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Galaxie zieht und uns hilft, ihre Struktur zu
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kartieren. Ihre Radiowellen werden beim Durchqueren
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des interstellaren Gases zwischen den Sternen
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charakteristisch gestreckt, wobei niedrige Frequenzen
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etwas später ankommen, als höhere. Aus diesem
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Dispersionseffekt lässt sich die Dichte des Mediums
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berechnen. das sie durchquert haben. Pulsare
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sind also nicht nur Boten ihrer eigenen Geschichte,
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sondern auch Vermesser des Raums zwischen den
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Sternen, des Mediums, durch das ihre Signale
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uns erreichen. Wenn wir versuchen, uns einen
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Pulsar vorzustellen, mögen wir uns einen winzigen,
34:11
leuchtenden Kreisel ausmalen, der hoch oben in
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der Stille des Weltraums rotiert. umgeben von
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schraffen Magnetfeldlinien, entlang derer Teilchenströme
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gleiten und ihre Strahlung zu zwei schmalen Lichtkegeln
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bündeln. Wir mögen uns einen Stern vorstellen,
34:30
der auf die Größe einer Stadt zusammengepresst
34:33
ist und doch die Masse einer ganzen Sonne trägt.
34:37
Stahlen, die in unermüdlichem Rhythmus durch
34:40
den Raum fegen und einen Bruchteil ihrer Energie
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in Antennen auf der Erde ablagern, viele tausend
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Jahre nachdem sie ausgesandt wurden. Natürliche
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Atomohren, die seit den frühen Tagen unseres
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Sonnensystems swingen und uns Geschichten von
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längst toten Sternen erzählen. Vielleicht ist
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es ihre Ruhe inmitten der gewaltsamsten physikalischen
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Bedingungen, die man sich vorstellen kann. was
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uns an Pulsaren bewegt. Sie sind überlebende
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katastrophale Explosionen. Ihre Existenz beginnt
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mit einem der gewaltsamsten Ereignisse, die das
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Universum hervorbringen kann. Und doch ist ihr
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Wesenbeständigkeit, Rhythmus, regelmäßige Wiederkehr.
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Sie sind das beinahe Unmögliche verlässlich gemacht
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über ungeheure Zeitspannen hinweg. Wenn wir das
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Signal eines Pulsars empfangen, der 30 .000 Lichtjahre
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entfernt ist, detektieren wir Strahlung, die
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ausgesandt wurde, als die letzten Eiszeiten auf
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der Erde ihren Höhepunkt erreichten. Als die
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ersten Kunstwerke in europäischen Höhlen entstanden,
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das Licht des Krebsspulsars, das uns heute erreicht,
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begann seine Reise vor 6500 Jahren, als in Mesopotamien
35:59
die ersten Städte entstanden. In jedem Moment
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blicken wir auf eine andere Vergangenheit. Und
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je ferner der Pulsar, desto tiefer reicht dieser
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Blick in die kosmische Geschichte. Wir mögen
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auch an die Zukunft denken, wenn wir Pulsare
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betrachten. Unsere eigene Sonne wird, wenn sie
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das Ende ihres Lebens erreicht, kein Pulsar werden.
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Sie ist zu klein. Sie wird ihre äußeren Schichten
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als planetarischer Nebel abstoßen. und einen
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weißen Zwerg zurücklassen, einen anderen und
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weniger dramatischen Endpunkt. Aber die massereicheren
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Geschwister unserer Sonne, die blauen Riesensterne,
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die wir als helle Punkte am Nachthimmel sehen,
36:45
werden in Millionen von Jahren als Supernovae
36:47
enden und zu Neutronensternen werden, die als
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Pulsare leuchten können. Oder, wenn sie massereich
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genug sind, direkt zu schwarzen Löchern kollabieren.
37:00
Manchmal entstehen Pulsare relativ nahe. Betalgeuze,
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der hellste Stern im Orion, wird voraussichtlich
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innerhalb der nächsten 100 .000 Jahre als Supernova
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explodieren. Ein solches Ereignis wäre von der
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Erde aus sichtbar, etwa so hell wie der Vollmond,
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auch wenn es in einer Entfernung von ungefähr
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540 Lichtjahren keine Gefahr darstellen würde.
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Ein Neutronenstern könnte zurückbleiben und vielleicht
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eines Tages an unserem Himmel pulsieren. Wenn
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wir von dieser Reise zu unserem eigenen Planeten
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zurückkehren, zu jener kleinen blauen Kugel in
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der Stille des Weltraums, sehen wir ihn vielleicht
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mit veränderten Augen. Wir, die wir Pulsaren
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lauschen, sind das hörende Ohr des Kosmos, das
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seinen eigenen Klängen Aufmerksamkeit schenkt.
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Die Leuchtturmstrahlen fegen weiter, gleichgültig,
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ob jemand zusieht. Doch wir haben gelernt, sie
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zu empfangen, ihre Zeitabstände zu lesen, in
38:04
ihren Mikrosekundenschwankungen den Durchgang
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von Gravitationswellen aus Quellen jenseits unserer
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direkten Wahrnehmung zu erkennen. Wir haben die
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Leichname toter Sterne genommen und aus ihnen
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ein galaktisches Instrument gemacht, ein Mittel,
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dem tiefsten Summen des Universums zu lauschen.
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Die Pulsare wissen das nicht. Sie drehen sich
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einfach, senden ihre Strahlen in unermüdlichem
38:30
Rhythmus aus und kühlen allmählich ab, der Kälte
38:35
der tiefen Zeit entgegen. Wie sind es, die Bedeutung
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in ihrem Drehen gefunden haben, die aus ihrer
38:40
Beständigkeit einen weggebaut haben, zu hören,
38:44
was sonst still bliebe? Und darin liegt vielleicht
38:48
eine stillere Art des Staunens nicht. dass das
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Universum zu uns spricht, sondern dass wir gelernt
38:55
haben, geduldig und beharrlich auf seine Stimme
38:58
zu achten.