Chinas Himmelsauge nähert sich 1.000 Pulsaren!

In den letzten Tagen ist auf den wichtigsten Nachrichtenplattformen eine Nachricht über Chinas weltberühmten „großen Topf“ erschienen – das „China Sky Eye“ FAST hat 883 Pulsare entdeckt und plant, diese Zahl innerhalb des Jahres auf 1.000 zu erhöhen.

Bild vom CCTV News Channel

Also, was genau sind Pulsare? Warum sich die Mühe machen, danach zu suchen? Was nützt es, wenn Sie es gefunden haben? Lassen Sie uns heute ausführlich darüber sprechen und Ihnen ein paar Neuigkeiten über FAST erzählen.

Sind Pulsare verrückte blinkende Sterne?

Lassen Sie uns zunächst über „Pulsare“ sprechen. Aus der Perspektive der Erde ist ein Pulsar ein Himmelskörper, der periodisch elektromagnetische Impulse in extrem kurzen Abständen von wenigen Millisekunden bis zu Hunderten von Sekunden aussendet. Allerdings funkeln Pulsare nicht wirklich . Die sogenannten Pulse sind lediglich eine Illusion, die durch die rasende Rotationsgeschwindigkeit des Pulsars entsteht.
Woher also kommen Pulsare? Tatsächlich ist es das Ergebnis der „inneren Anziehungskraft“ des Sterns.

Bei jedem „normalen“ Stern, den wir mit bloßem Auge sehen können, wirken zwei Kräfte gegeneinander : Die Schwerkraft treibt die Materie in Richtung Kern, während die durch die Kernfusion freigesetzte Energie die Materie nach außen drückt.

Der Brennstoff für die Kernfusion wird irgendwann ausgehen, daher wird die Schwerkraft am Ende immer den Sieg davontragen . Wenn ein massereicher Stern (beispielsweise mit mehr als der achtfachen Masse der Sonne) schließlich seinen gesamten Brennstoff verbraucht hat, kollabiert er in sich selbst, implodiert heftig und breitet sich dann in einem fulminanten Feuerwerk nach außen aus. Dieser Vorgang wird als Supernova-Explosion bezeichnet.

Im ersten Jahr von Zhihe in der Nördlichen Song-Dynastie (1054) explodierte eine Supernova in der Nähe des Sternbilds „Tianguan“ im Sternbild Stier. Er war 23 Tage am Tag und 22 Monate in der Nacht sichtbar. Diese Supernova-Explosion wurde von chinesischen Astronomen aufgezeichnet und ging als „ Tianguan-Gaststern “ in die Geschichte ein.

Wenn sich der Staub auflöst, bleibt möglicherweise ein sehr dichter Himmelskörper – ein Neutronenstern – am ursprünglichen Standort des Sterns zurück. Im Inneren ist die Atomstruktur nicht mehr vorhanden und Elektronen werden in den Kern gepresst und verbinden sich mit Protonen zu Neutronen. Die Masse eines Neutronensterns beträgt mehr als das 1,4-fache der Sonnenmasse, sein Durchmesser beträgt jedoch nur ein Dutzend Kilometer. Mit anderen Worten: Jeder Kubikzentimeter Neutronensternmaterie entspricht der Gesamtmasse aller Menschen auf der Welt!

Neutronensterne erben außerdem den Drehimpuls der stellaren Restmasse. Bei gleichem Drehimpuls ist die Rotationsgeschwindigkeit umgekehrt proportional zum Quadrat des Radius. Wir sehen oft, dass Eistänzer, wenn sie beim Drehen ihre Arme zusammenführen oder über den Kopf heben, plötzlich eine sehr schnelle Drehung ausführen. Ähnlich verhält es sich, wenn ein Stern zu einem Neutronenstern kollabiert: Seine Rotationsgeschwindigkeit erhöht sich um das Milliardenfache.

Radioimpulse von Pulsaren fegen an der Erde vorbei. Produziert von Michael Kramer

Neutronensterne verfügen über starke Magnetfelder, die geladene Teilchen um sie herumtreiben und starke Radiostrahlungsstrahlen aussenden, die aus ihren beiden Magnetpolen austreten. Wenn der Strahlenbündel, das die Rotation des Neutronensterns begleitet, zufällig über die Erde streicht , können wir periodische Radioimpulse registrieren, so wie sich die Spezialeffektlichter in manchen Diskotheken ständig im Kreis drehen. Obwohl die Lichter immer eingeschaltet sind, erscheinen sie aus einer Richtung betrachtet hell und dunkel. Nun, um diese Analogie zu verwenden, könnte man sagen, dass der Pulsar die Überreste eines Sterns sind, der auf seinem eigenen Grab tanzt …

Der oben erwähnte Tianguan-Gaststern hinterließ einen Pulsar mit einer Periode von 33 Millisekunden ( 30 Rotationen pro Sekunde ), und das von ihm ausgestoßene kühlende Feuerwerk ist der berühmte Krebsnebel .

Krebsnebel. Bildquelle: NASA

Unter den mehr als 3.000 weltweit entdeckten Pulsaren handelt es sich bei der überwiegenden Mehrheit um Neutronensterne, es gibt jedoch auch zwei, die Weiße Zwerge sind (Überreste von Sternen mit geringer Masse, die noch immer ihre atomare Struktur behalten): AR Scorpii und AE Aquarii.

FAST bedeutet nicht "schnell"

Die meisten Pulsare geben im sichtbaren Lichtbereich keine nennenswerte Strahlung ab, erscheinen jedoch im Radiobereich hell. Glücklicherweise ist die Atmosphäre auf der Erde für das Radiowellenband recht günstig und weist eine extrem hohe Transparenz auf, sodass sich Radioteleskope besonders gut für die Beobachtung von Pulsaren auf der Erde eignen.

Die Abschirmung der Erdatmosphäre gegenüber elektromagnetischen Wellen verschiedener Wellenlängen. Bildquelle: NASA

Lassen Sie uns als Nächstes über unser FAST sprechen.

Der Name FAST ist die Abkürzung für „Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope“. Dieses riesige Radioteleskop mit einer einzigen Schüssel befindet sich in Dawodang (dàng) im Kreis Pingtang in der Provinz Guizhou. Es wurde entsprechend der natürlichen Vertiefung der Karstlandschaft gebaut. Der Bau begann 2011 und wurde 2016 abgeschlossen. Es ist derzeit das weltweit größte Radioteleskop mit voller Apertur und reflektierender Oberfläche (das russische RATAN-600 hat zwar einen Durchmesser von 576 Metern, verfügt aber nur über einen dünnen Kreis aus reflektierenden Ringen).

SCHNELLE Luftaufnahme. Bildquelle: Offizielle FAST-Website

——Übrigens: Die Abkürzung FAST klingt für Sie vielleicht cool, der vollständige Name erscheint Ihnen jedoch zu einfach. Es gibt keine Möglichkeit. „Die Abkürzung ist unklar, sieht aber beeindruckend aus, aber der vollständige Name ist wirklich unkreativ.“ Dies ist Tradition in der astronomischen Gemeinschaft . Beispielsweise steht TMT für „Thirty Meter Telescope“, VLT für „Very Large Telescope“, ELT für „Extremely Large Telescope“ und EELT für „European Extremely Large Telescope“. Klingt das Webb-Weltraumteleskop normal? Aber sein ursprünglicher Name war eigentlich „Next Generation Space Telescope“ (im Vergleich zu Hubble) …

Warum sind Radioteleskope so groß? Denn bei gleicher Auflösungsanforderung gilt: Je länger die zu beobachtende Wellenlänge, desto größer muss die Öffnung des „Topfes“ sein, sonst ist das Bild nicht klar . Das Webb-Teleskop, das im Infrarotbereich arbeitet, hat eine größere Öffnung als das Hubble-Teleskop, das sich auf sichtbares Licht konzentriert (6,5 Meter gegenüber 2,4 Metern). Das Band, das das Radioteleskop beobachten muss, ist 5 oder 6 Größenordnungen höher als diese beiden. Sie müssen wirklich größer gemacht werden. Es ist völlig richtig, hier von der Blendenöffnung zu sprechen.

Aufmerksame Leser haben möglicherweise zwei Fragen:

① Eine sphärische Oberfläche kann das Licht entfernter Sterne nicht wirklich auf einen einzigen Brennpunkt fokussieren. eine Parabel ist erforderlich. Warum also wird FAST zu einem sphärischen Teleskop gemacht?

2. Wenn ein großer Topf so auf den Boden gestellt wird, würde er dann nicht nur in den Zenit starren? Auch wenn sich die Erde dreht, kann sie nur den Kreis abtasten, in dem sich der Zenit befindet?

Tatsächlich handelt es sich hierbei um ein weit verbreitetes Missverständnis und eine negative Auswirkung der Verwendung einfacher Analogien in der Populärwissenschaft. Aufgrund ihrer Form werden verschiedene Arten von Radioteleskopen gerne als „Töpfe“ bezeichnet. Dies führt jedoch zu einer Irreführung und lässt uns glauben, dass FAST wie die große Eisenpfanne ist, die wir zu Hause zum Kochen verwenden, die hart und fest ist und deren Form sich nicht verändert. Tatsächlich ist FAST jedoch sehr flexibel.

FAST besteht aus 4.450 reflektierenden Paneelen , die von Motoren angetrieben werden und ihre Position ändern können. Wenn die reflektierenden Paneele in einem Bereich regelmäßig unter einheitlicher Steuerung angepasst werden, können sie „Wellen“ im „Topf“ erzeugen und die Form des Spiegels verändern.

Nach Berechnungen des „Vaters von FAST“ Nan Rendong und seines Teams kann durch eine Abweichung von 0,47 Metern von der Kugeloberfläche die 300 Meter durchmessende Kugeloberfläche in eine Parabel verwandelt und das Funksignal auf einen Punkt fokussiert werden. Daher verfügt FAST zu jedem Zeitpunkt nur über einen kreisförmigen Arbeitsbereich mit einem Durchmesser von 300 Metern . Durch die gezielte Einstellung der Reflektoren kann dieser Arbeitsbereich frei im „Topf“ „driften“, so dass der Bereich des beobachtbaren Himmelsbereichs recht groß ist.

Wenn die komplette 300-Meter-Öffnung beibehalten wird, können Beobachtungen von 52,2°N (der Arbeitsbereich liegt nahe der Südkante des Topfes) bis 0,6°S (der Arbeitsbereich liegt nahe der Nordkante des Topfes) durchgeführt werden. Wenn Sie bereit sind, ein wenig effektive Blende zu opfern, können Sie den Himmel von 65,8°N bis 14,2°S abdecken.

SCHNELLER optischer Pfad, die gelbe gepunktete Linie ist der Arbeitsbereich der Parabel. Bildquelle: Nan Rendong „FAST-Projektvorstellung“

Welche praktischen Anwendungen bietet die Beobachtung von Pulsaren?

FAST hat so viele Pulsare entdeckt. Welche praktischen Anwendungen bietet die Beobachtung von Pulsaren? Es hat viele Verwendungsmöglichkeiten.

Wenn Signale von Pulsaren durch den interstellaren Raum reisen, werden sie unterwegs durch ionisiertes Gas blockiert, was zu Verzögerungen führt. Je größer die Entfernung, desto mehr ionisiertes Gas ist vorhanden und desto größer ist die Verzögerung. Wenn wir wissen, wie weit der Pulsar von uns entfernt ist, und dann den Grad der Verzögerung genau messen, können wir auf die Verteilung des interstellaren Mediums entlang des Signalpfads schließen.

Das Magnetfeld beeinflusst auch Pulsarsignale. Wenn ein elektromagnetisches Signal ein Magnetfeld durchläuft, ändern sich seine Polarisationseigenschaften. Je stärker das Magnetfeld, desto größer die Veränderung. Durch Messen der Polarisation des Signals können wir auf die magnetische Feldverteilung entlang des Signalpfads schließen.

Wenn supermassive Objekte die Raumzeit stören, erzeugen sie Gravitationswellen, die die Zeit verändern, die das Pulsarsignal benötigt, um uns zu erreichen. Durch die genaue Messung der Schwankungen der Pulsarperiode können Gravitationswellen nachgewiesen werden . Wenn es uns gelingt, ein Doppelsternsystem aus Pulsar und Schwarzem Loch zu entdecken und zu beobachten, wie ein Himmelskörper mit stabiler Strahlungsleistung und ein Himmelskörper, der die Raumzeit verzerrt, das Universum aufrütteln, können wir die Vorhersagen der allgemeinen Relativitätstheorie testen und die physikalische Grundlagenforschung erheblich voranbringen .

Die Rotationsperiode von Pulsaren ist sehr stabil und einige von ihnen sind in ihrer Langzeitleistung mit Atomuhren vergleichbar. Darüber hinaus verlieren sie nie an Leistung, was sie wesentlich robuster macht als Atomuhren. Durch die Kombination von Pulsaren und Atomuhren lässt sich ein präzises und über lange Zeit stabiles Zeitsystem aufbauen, das sogar für die interstellare Navigation genutzt werden kann.

In der unteren linken Ecke der Voyager-Goldenen Schallplatte „Voice of Earth“ werden 14 Pulsare verwendet, um die Richtung des Sonnensystems anzuzeigen. Bildquelle: NASA

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass FAST und die von ihm entdeckten Pulsare uns helfen werden, das Universum besser zu verstehen, und diese Entdeckungen könnten den Menschen eines Tages dabei helfen, im Meer der Sterne zu navigieren.

Planung und Produktion

Autor: Qu Jiong, populärwissenschaftlicher Autor

Rezension von Liu Xi, Forscher am Beijing Planetarium

Planung – Ding Zong

Herausgeber: Ding Zong