Binärer Pulsar
Ein Binärpulsar ist ein Pulsar mit einem binären Begleiter, oft ein Weißer Zwerg oder Neutronenstern. In mindestens einem Fall, dem Doppelpulsar PSR J0737-3039, ist der Begleiterstern ebenfalls ein Pulsar.
Binäre Pulsare sind eines der wenigen Objekte, die es den Physikern erlauben, die Allgemeine Relativitätstheorie im Falle eines starken Gravitationsfeldes zu testen. Obwohl der binäre Begleiter des Pulsars in der Regel nur schwer oder gar nicht zu beobachten ist, kann das Timing der Pulsarimpulse mit Radioteleskopen mit ausserordentlicher Genauigkeit gemessen werden. Die Zeitmessung des binären Pulsars hat indirekt die Existenz von Gravitationsstrahlung bestätigt und Einsteins allgemeine Relativitätstheorie verifiziert.
Relativitätstheorie
Zwei Objekte, die sich im Orbit befinden, tun dies nicht in absolut kreisförmigen Bahnen. die Bahnen sind praktisch immer elliptisch. Zweimal auf einer Kreisbahn sind sie also am nächsten, zweimal auf einer Kreisbahn am weitesten entfernt. Dies ist für die Erde und die Sonne offensichtlich, aber die Idee gilt viel weiter gefasst.
Wenn sich die beiden Körper nahe beieinander befinden, ist das Gravitationsfeld stärker, und der Zeitablauf wird verlangsamt. Bei Pulsaren wird die Zeit zwischen den Pulsen (oder Ticks) verlängert. Wenn die Pulsaruhr langsamer durch den schwächsten Teil des Feldes läuft, gewinnt sie Zeit zurück. Dies ist eine relativistische Zeitverzögerung. Sie ist der Unterschied zwischen dem, was man erwarten würde, wenn sich der Pulsar mit konstantem Abstand und konstanter Geschwindigkeit um seinen Begleiter bewegen würde, und dem, was tatsächlich beobachtet wird.
Binärpulsare sind eines der wenigen Werkzeuge, die Wissenschaftler haben, um Anzeichen von Gravitationswellen zu entdecken. Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie sagt voraus, dass zwei Neutronensterne auf ihrer Umlaufbahn um einen gemeinsamen Massenschwerpunkt Gravitationswellen aussenden würden, die die Orbital-Energie mitreißen und die beiden Sterne näher zusammenrücken lassen würden. Wenn sich die beiden Sternkörper einander annähern, absorbiert oft ein Pulsar Materie vom anderen, was zu einem heftigen Akkretionsprozess führt. Diese Wechselwirkung kann das Gas, das zwischen den Körpern ausgetauscht wird, erwärmen und Röntgenlicht erzeugen, das pulsierend erscheinen kann, was dazu führt, dass Doppelpulsare gelegentlich als Röntgendoppelsterne bezeichnet werden. Dieser Materiestrom von einem Sternkörper zu einem anderen wird als Akkretionsscheibe bezeichnet. Millisekunden-Pulsare (oder MSP's) erzeugen eine Art "Wind", der im Falle von Binärpulsare die Magnetosphäre der Neutronensterne wegblasen und die Pulsemission dramatisch beeinflussen kann.
Geschichte
Der erste Binärpulsar, PSR B1913+16 oder der "Hulse-Taylor-Binärpulsar", wurde 1974 in Arecibo von Joseph Taylor und Russell Hulse entdeckt, wofür sie 1993 den Nobelpreisfür Physik erhielten. Die Impulse dieses Systems wurden seit seiner Entdeckung ohne Störungen bis auf 15 μs verfolgt.
Der Nobelpreis wurde 1993 an Joseph Taylor und Russell Hulse verliehen, nachdem sie zwei solcher Sterne entdeckt hatten. Während Hulse einen neuen Pulsar mit dem Namen PSR B1913+16 beobachtete, bemerkte er, dass die Frequenz, mit der er pulsierte, schwankte. Man kam zu dem Schluss, dass die einfachste Erklärung darin bestand, dass der Pulsar einen anderen Stern sehr nahe und mit hoher Geschwindigkeit umkreiste. Hulse und Taylor stellten durch Beobachtung dieser Impulsfluktuationen fest, dass die Sterne gleich schwer waren, was sie zu der Annahme veranlasste, dass es sich bei dem anderen Raumobjekt ebenfalls um einen Neutronenstern handelte.
Die Beobachtungen des orbitalen Zerfalls dieses Sternensystems entsprachen nahezu perfekt den Einsteinschen Gleichungen. Die Relativitätstheorie sagt voraus, dass im Laufe der Zeit die Bahnenergie eines Doppelsternsystems in Gravitationsstrahlung umgewandelt wird. Von Taylor und seinen Kollegen gesammelte Daten über die Orbitalperiode von PRS B1913+16 unterstützten diese relativistische Vorhersage. Sie berichteten 1983, dass es einen Unterschied im beobachteten Mindestabstand der beiden Pulsare im Vergleich zu demjenigen gab, der erwartet wurde, wenn der Orbitalabstand konstant geblieben wäre. In dem Jahrzehnt nach der Entdeckung des Systems war die Orbitalperiode des Systems um etwa 76 Millionstel Sekunden pro Jahr zurückgegangen. Das bedeutet, dass sich der Pulsar seinem maximalen Abstand mehr als eine Sekunde früher näherte, als dies bei gleich bleibender Umlaufbahn der Fall gewesen wäre. Nachfolgende Beobachtungen zeigen weiterhin diesen Rückgang.
Kumulative Verschiebung in der Periastronperiode in Sekunden, für das Doppelsternsystem PSR B1913+16, da das System durch Gravitationswellenemission Energie verliert. Rote Punkte sind experimentelle Daten, und die blaue Linie ist die von der Relativitätstheorie vorhergesagte Verschiebung.
Fragen und Antworten
F: Was ist ein binärer Pulsar?
A: Ein binärer Pulsar ist ein Pulsar mit einem binären Begleiter, oft ein Weißer Zwerg oder ein Neutronenstern.
F: Was ist der Begleitstern eines binären Pulsars?
A: Der Begleitstern eines Doppelpulsars ist oft ein Weißer Zwerg oder ein Neutronenstern, aber in mindestens einem Fall (dem Doppelpulsar PSR J0737-3039) ist der Begleitstern auch ein anderer Pulsar.
F: Welche Bedeutung haben binäre Pulsare in der Physik?
A: Binäre Pulsare sind in der Physik von Bedeutung, weil sie es den Physikern ermöglichen, die allgemeine Relativitätstheorie im Falle eines starken Gravitationsfeldes zu testen.
F: Ist es möglich, den Begleitstern eines Doppelpulsars zu beobachten?
A: Normalerweise ist der Begleitstern des Pulsars schwer oder gar nicht zu beobachten.
F: Wie kann die Zeit der Impulse eines Doppelpulsars gemessen werden?
A: Das Timing der Pulse eines Doppelpulsars kann mit Radioteleskopen mit außerordentlicher Genauigkeit gemessen werden.
F: Was hat die Zeitmessung von Binärpulsern indirekt bestätigt?
A: Die Zeitmessung binärer Pulsare hat indirekt die Existenz von Gravitationsstrahlung bestätigt.
F: Welche Theorie hat die binäre Pulsarzeitmessung bestätigt?
A: Die binäre Pulsarzeitmessung hat die allgemeine Relativitätstheorie von Einstein bestätigt.
