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

0:04 Willkommen bei Fakten zum Einschlafen. Das Universum. Das Universum hat die merkwürdige Angewohnheit, seine zuverlässigsten Instrumente aus den Trümmern von Katastrophen zu formen. Wenn ein massereicher Stern am Ende seines Lebens seinen Kernbrennstoff erschöpft, kollabiert dieser in einer Sekunde zu einem Objekt von unvorstellbarer Dichte, einem Neutronenstern. Rotiert dieser Stell -Ara Leichnam und besitzt er ein extrem starkes Magnetfeld, sendet er gebündelte Strahlung wie ein kosmischer Leuchtturm in den Raum aus. Diese Episode beleuchtet den gesamten Weg von der gewaltsamen Geburt bei einer Supernova bis zur Entdeckung dieser regelmäßigen Radiosignale durch Jocelyn Bell im Jahr 1967.

1:00 Wir betrachten die extreme Physik dieser Objekte, bei denen eine gesamte Sonnenmasse auf die Größe einer Stadt zusammengepresst ist, und erklären, warum Pulsare mit der Präzision von Atomuhren ticken. Darüber hinaus geht die Folge der Frage nach, warum diese Überreste toter Sterne für die moderne Forschung unverzichtbar geworden sind. Wir betrachten, wie Pulsare als natürliche Laboratorien für Zustände dienen, die auf der Erde nicht herstellbar sind, und wie Astronomen ihre metronomischen Signale nutzen, um den Durchgang von Gravitationswellen aus fernen Galaxien nachzuweisen.

1:41 Von der indirekten Bestätigung von Einsteins Relativitätstheorie bis hin zur zukünftigen Navigation im tiefen Raum zeigen sich Pulsare als vielseitige kosmische Werkzeuge. Bei der Arbeit an dieser Episode kehrte ich immer wieder zu einer Frage zurück, wie kann aus der gewaltsamsten Explosion, die das Universum hervorbringen kann, ein Objekt entstehen, dessen Wesen absolute Beständigkeit ist. Mich fasziniert der Gedanke, dass wir heute Signale empfangen, deren Reise vor tausenden von Jahren begann, und dass wir gelernt haben, in diesen gleichmäßigen Pulsen die verborgenen Bewegungen der Armzeit selbst zu lesen. Es ist eine leise Erinnerung daran, dass das Universum ständig zu uns spricht, wenn wir nur geduldig

2:30 genug zuhören. Das Universum hat die merkwürdige Angewohnheit, seine zuverlässigsten Instrumente aus den Trümmern von Katastrophen zu formen. Tote Sterne, die mit der Präzision von Atomuhren rotieren und ihre Leuchtturmsignale über Jahrtausende hinweg aussenden. Für jeden, der geduldig genug ist, zuzuhören. Ein Stern stirbt in Stille, lange bevor wir ihn fallen sehen. Millionen von Jahren, vielleicht eine Milliarde, verbrennt er den Wasserstoff in seinem Kern. Er verschmilzt leichtere Elemente zu schwereren. In einer Kette, die das Periodensystem hinaufklettert wie eine Leiter. Wasserstoff wird zu Helium. Helium wird zu Kohlenstoff und Sauerstoff.

3:22 Dann zu Neon und Magnesium, zu Silizium und schließlich zu Eisen. Beim Eisen endet diese Leiter. Der Stern hat eine Schwelle erreicht, von der seine eigene Physik ihn nicht mehr zurückweichen lässt. Der Kern verdichtet sich mit dieser Asche, diesem Metall, das nicht brennen kann. Und etwas im Inneren des Sterns beginnt nachzugeben. Wir glauben zu verstehen, was Gleichgewicht ist. Wir spüren es in unserem eigenen Körper, das Gleichgewicht zwischen dem Gewicht, das nach unten drückt, und der Kraft, die dagegen hält. Ein Stern lebt in derselben Spannung. Die Schwerkraft zieht nach innen, die Strahlung der Kernfusion drückt nach außen. Während des größten Teils seines Lebens halten diese beiden Kräfte einander in

4:13 einer Art Gespräch, einer dauerhaften Übereinkunft, die den Stern zusammenhält. Doch wenn sich Eisen im Kern ansammelt, bricht dieses Gespräch zusammen. Eisen kann durch Fusion keine Energie freisetzen. Es liegt einfach da, sammelt Masse an, wird schwerer, verdichter. Bis die Elektronen in seinen Atomen so nah an ihre Kerne gepresst werden, dass sie dem Druck nicht länger standhalten können. Was dann geschieht, dauert etwa eine Sekunde. Ein Kern, der sich über Tausende von Kilometern erstreckte, der vielleicht die anderthalbfache Masse unserer gesamten Sonne enthielt, kollabiert zu einer Kugel von kaum 20 Kilometern Durchmesser. Das Material stürzt mit einem Viertel der Lichtgeschwindigkeit nach innen. Die äußeren Schichten des Sterns,

5:07 noch brennend, noch ahnungslos, prallen auf diese unvorstellbar dichte Oberfläche. Sie werden in einer Explosion zurückgeschleudert, die das vereinte Licht aller Sterne ihrer Galaxie überstrahlen kann. Wir nennen das eine Typ C, Supernova. Für ein paar Wochen kann sie das hellste Objekt am Himmel sein. Doch uns interessiert, was übrig bleibt. Nicht das Lichtspektakel, der Leichnam.

5:36 In jenem winzigen Bereich im Zentrum wurde Materie auf eine Weise zusammengepresst, die es nirgendwo sonst im beobachtbaren Universum gibt. Die Atome selbst wurden zermalmt. Elektronen, in die Protonen der Kerne gezwungen, verschmelzen mit ihnen zu Neutronen. Ein nahezu masseloses Teilchen namens Neutrino entweicht bei diesem Vorgang. Diese Neutrinos tragen ungefähr 99 Prozent der bei der Explosion freigesetzten Energie davon. Sie sind die wahren Boten der Katastrophe und erreichen uns Stunden vor dem Licht. So beschah es im Februar 1987. Detektoren auf der Erde zeichneten einen Schauer von Neutrinos von der Supernova 1977 CK in der großen Magellanschen Wolke auf. Mehrere Stunden. bevor die Explosion am Himmel sichtbar

6:33 wurde. Was zurückbleibt, ist ein Neutronenstern. Und um zu begreifen, was dieses Objekt ist, müssen wir unsere gewohnten Vorstellungen von Materie und Raum beiseite legen. Stellen Sie sich die gesamte Masse unserer Sonne vor. Jener Körper, um den acht Planeten kreisen. Jener Körper, dessen Masse die der Erde um den Faktor 330 .000 übersteigt.

7:00 Zusammengepresst zu einer Kugel von der Größe einer bescheidenen Stadt. Bremen. Hannover. Man könnte sie in einer halben Stunde durchqueren, wenn es Straßen gäbe. Wenn es so etwas wie eine Oberfläche gäbe, auf der man stehen könnte. Aber das gibt es nicht. Die Dichte dieses Objekts erreicht 10 hoch 17 Kilogramm pro Kubikmeter.

7:25 Das ist das 100 Billiarden Fache der Dichte von Wasser. Es ist die Dichte, die wir im Inneren von Atomkernen finden. Aber hier ist sie nicht auf einen mikroskopischen Maßstab beschränkt. Hier ist sie der Stoff eines gesamten Sternenkörpers. Um das begreiflich zu machen, wenn man alle sieben Milliarden Menschen der Erde sammeln und zusammendrücken könnte, bis ihre Atome sich berühren, bis der gesamte leere Raum in ihnen und zwischen ihnen verschwunden wäre, würde die entstehende Masse in einen Zuckerwürfel passen. Ein Neutronenstern ist dieses Prinzip, getrieben bis zum absoluten Extrem. Nicht nur die Verdichtung von Menschen, sondern die einer ganzen Sonnenmasse. Jedes Proton und jedes Elektron zur Vereinigung gezwungen,

8:14 bis das Objekt im Wesentlichen ein einziger gewaltiger Atomkern ist, 20 Kilometer breit. Die Schwerkraft an der Oberfläche ist so extrem, dass ein Mensch, der dort stünde, falls stehen möglich wäre, das 100 Milliardenfache seines irdischen Gewichts wiegen würde. Ein Berg könnte sich nicht mehr als ein paar Millimeter über diese Oberfläche erheben. Die Schwerkraft würde ihn sofort plattdrücken.

8:43 Ließe man einen Kieselstein aus Hüfthöhe fallen, träfe er mit Tausenden von Kilometern pro Sekunde auf die Oberfläche, hinabgezogen von einem so steilen Schacht. dass die Flucht eine Geschwindigkeit von nahezu der Hälfte der Lichtgeschwindigkeit erfordern würde. Die Krümmung der Raumzeit selbst wird in der Nähe eines Neutronensterns so ausgeprägt, dass sich Licht messbar um ihn herum biegt. Ein Beobachter in der Ferne sähe nicht nur die zugewandte Halbkugel, sondern auch einen Streifen der abgewandten Seite. Das Licht um die Krümmung gebogen wie Wasser, das um einen Stein fließt. Das ist das Objekt, das zurückbleibt. Ein stellarer Leichnam, der von Temperaturen abkühlt, die einst eine Million Grad überstiegen. Nicht länger durch

9:35 Fusion am Leben gehalten, sondern nur noch durch die Restwärme seiner gewaltsamen Geburt. Er wird über Millionen von Jahren abkühlen und allmählich verblassen. Doch er ist noch nicht fertig, damit uns zu überraschen. Es gibt einen Moment, nachdem die Zahlen ausgesprochen sind, in dem der Verstand versucht und scheitert, dieses Objekt in gewöhnlichen Begreifen festzuhalten. Wir können die Worte sagen, statt große Sonne, milliardenschwere Menschen, Licht, das sich um eine Kugel biegt. Und doch bleibt der Neutronenstern irgendwie außerhalb der Reichweite der Anschauung, wie eine Farbe, für die wir keinen Namen haben. Er existiert an einer Schwelle. an der die Materie selbst ihren Charakter verändert, wo die vertrauten

10:24 Kategorien von fest und flüssig, von Teilchen und Welle sich in etwas Fremderes aufzulösen beginnen. Das ist ein Teil dessen, was Astronomen dazu zieht, ihn zu erforschen. Der Neutronenstern ist nicht bloß eine extreme Version gewöhnlicher Dinge. Er ist ein Blick in eine Physik, die wir auf der Erde nicht nachbilden können. Ein natürliches Labor, in dem die Regeln, die wir in der Schule gelernt haben, nicht mehr gelten. Ein Neutronenstern allein ist noch kein Pulsar. Zwei zusätzliche Eigenschaften, direkt aus dem Kollaps geerbt, der ihn erschuf, verwandeln diesen Totenstern in etwas völlig anderes. Die erste ist Rotation.

11:11 Die zweite ist Magnetismus. Und beide entspringen demselben physikalischen Prinzip. der Haltung des Drehimpulses. Denken Sie an eine Eiskunstläuferin, die bei einer Pirouette die Arme eng an den Körper zieht. Wenn ihr Radius schrumpft, beschleunigt sich ihre Drehung. Dasselbe geschieht mit einem Stern. Ein massereicher Stern rotiert vielleicht einmal alle 30 Tage wie unsere eigene Sonne.

11:41 Wenn sein Kern von Tausenden von Kilometern auf ein paar Dutzend kollabiert, verstärkt sich diese Rotation dramatisch. Der schnellste bekannte Pulsar, bezeichnet als Psyenut 74847, dreht sich 716 Mal pro Sekunde. Ein Punkt an seinem Äquator bewegt sich mit etwa einem Viertel der Lichtgeschwindigkeit.

12:06 Der Stern selbst ist ein Wischer, eine Kugel, die in einer Sekunde mehr Umdrehungen vollendet, als ihr Herz in 10 Minuten Schläge macht. Das Magnetfeld erfährt eine ähnliche Verdichtung. Ein Stern, der ein moderates Magnetfeld besaß, vielleicht etwas stärker als das unserer Sonne erlebt, wie dieses Feld mit allem anderen nach innen gezogen und verstärkt wird. Typische Pulsar Magnetfelder reichen von 10 hoch 8 bis 10 hoch 9 Tesla. Zum Vergleich, das Magnetfeld der Erde misst ungefähr 15 .000 Stel Tesla. Ein starker Hufeisenmagnet erreicht vielleicht ein Zehntel Tesla. Die stärksten künstlichen Magnetfälle, die Menschen erzeugt haben, nur in kurzen Impulsen aufrechterhalten, erreichen etwa 100 Tesla. Das

13:04 Feld eines Pulsars ist eine Milliarde mal stärker. Es ist eine Milliarde Milliarden mal stärker als das Feld, das ihren Kompass lenkt. Aus der Verbindung dieser extremen Rotation und dieses unvorstellbaren Magnetismus entsteht das Phänomen, das den Pulsaren ihren Namen gibt. Die magnetischen Pole eines Neutronensterns fallen selten mit seinen Rotationspolen zusammen. Sie sind geneigt, oft erheblich. An diesen magnetischen Polen werden geladene Teilchen, Elektronen und ihre Antimateriegegenstücke.

13:41 Positronen genannt, in enormen Mengen beschleunigt. Sie bewegen sich entlang der Magnetfeldlinien mit nahezu Lichtgeschwindigkeit und senden dabei elektromagnetische Strahlung aus. Weil die magnetische Achse gegenüber der Rotationsachse geneigt ist, fegen diese Zwillingstrahlen wie die Strahlen eines Leuchtturms durch den Raum. Wenn einer dieser Strahlen zufällig die Erde trifft, registrieren wir bei jeder Umdrehung des Sterns einen Strahlungsblitz.

14:11 Die Abstände zwischen diesen Blitzen sind so regelmäßig, so außerordentlich beständig, dass die präzisesten Pulsare es in ihrer Zuverlässigkeit mit unserem besten Atomuhren aufnehmen können. Die Entdeckung dieses Phänomens gehört zu den denkwürdigeren Episoden der modernen Astronomie. Im Sommer und Herbst 1977 arbeitete eine Doktorandin namens Jocelyn Bell an der University of Cambridge und untersuchte, Aufzeichnungen eines neu errichteten Radioteleskops. Sie erforschte die Szentilation von Radioquellen, die Art, wie sie flackern und variieren. Das Teleskop war nach modernen Maßstäben eine bescheidene Angelegenheit. Viereinhalb Arkes Holzpfosten und Drahtgeflecht in einem Feld angeordnet.

15:02 Aber es war empfindlich genug, um schwache Radiomissionen aus der ganzen Galaxie aufzufangen. Bell arbeitete in einem kleinen Raum in der Nähe und ging Papieraufzeichnungen durch, die in langen Bändern aus dem Instrument quollen. Kilometerlang, bedeckt mit Tintenspuren, die den unsichtbaren Radiohimmel darstellten.

15:24 Eines Tages, beim Durchsehen dieser Aufzeichnungen, bemerkte sie etwas Merklürdiges. Ein schwaches, sich wiederholendes Muster von Pulsen. die in Abständen von exakt 1 ,337 Sekunden eintrafen. Die Regelmäßigkeit war so auffallend, so unähnlich allem Natürlichen, das ihr begegnet war, dass sie wochenlang damit verbrachte, das Signal zu bestätigen. Sie schloss Störungen von irdischen Quellen aus und prüfte, ob es sich mit den Sternen bewegte oder fest mit der rotierenden Erde verbunden blieb. Die Pulse waren zu schnell für die natürliche Variation eines Sterns, zu langsam für die meisten bekannten astronomischen Prozesse. Die Regelmäßigkeit war so auffallend, so unähnlich allem Natürlichen, das ihr begegnet war, dass sie und ihr Betreuer

16:18 zunächst halb im Scherz spekulierten, es könne künstlich sein. Vielleicht sogar ein Signal einer außerirdischen Zivilisation. Sie nannten es LGM1 für Little Green Men. kleine grüne Männchen. Innerhalb weniger Wochen fand Bell ein zweites Signal, ebenso regelmäßig, aber mit einer völlig anderen Periode in einem anderen Teil des Himmels.

16:45 Die Hypothese intelligenter Kommunikation brach zusammen. Keine Zivilisation würde von zwei Orten mit unterschiedlichen Rhythmen senden. Dies war ein natürliches Phänomen, ein kosmisches. Und Bell war die erste Person geworden, die einen Pulsar entdeckt hatte. Das ursprüngliche Signal stammte, wie wir heute wissen, von einem Pulsar mit der Bezeichnung Psyomith 1929. 21. Der Nobelpreis für Physik für diese Entdeckung wurde 1974 an Anthony Hivish verliehen. Bells Betreuer. Bell selbst, die das Signal erkannt hatte, die seine Bedeutung verstanden hatte. wurde übergangen.

17:32 Das bleibt eine der meist diskutierten Fehlentscheidungen in der Geschichte des Preises. Bell hat stets mit charakteristischer Würde reagiert und darauf hingewiesen, dass die Pulserforschung in den folgenden Jahrzehnten aufblühte. 2018 erhielt sie den Breakthrough -Preise in Fundamental Physics. Sie spendete das Preisgeld von rund drei Millionen Dollar an eine Stiftung, die unterrepräsentierte Gruppen in der Physik unterstützt. Seit Bells Entdeckung wurden ungefähr 3500 Pulsare identifiziert, die meisten innerhalb unserer eigenen Milchstraße.

18:11 Sie lassen sich in Kategorien einteilen, die jeweils ihre eigene Geschichte erzählen. Die klassischen Pulsare, auch rotationsgetriebene Pulsare genannt, haben Perioden von etwa einer Zehntelsekunde bis zu 10 Sekunden. Sie beziehen ihre Energie aus der Rotation selbst und wandeln ihren Drehimpuls langsam in Strahlung um. Jede Umdrehung kostet sie einen winzigen Bruchteil ihres Spins und sie werden allmählich langsamer.

18:43 Diese Verlangsamung ist messbar, aber so allmählich, dass ein typischer Pulsar Millionen von Jahren als solcher sichtbar bleibt. Dann... Gibt es die Millisekundenpulsare? Sie rotieren mit Perioden zwischen 1, 4 und etwa 30 Millisekunden, hunderte Male pro Sekunde. Sie sind im Allgemeinen älter als klassische Pulsare mit schwächeren Magnetfeldern.

19:07 Und sie haben eine ungewöhnliche Geschichte durchlaufen. Astronomen glauben, dass sie als Bestandteile von Doppelstandsystemen begannen. Materie von einem Begleitstern strömte auf den Neutronenstern, ein Prozess namens Akkretion. Dieses einfallende Gas übertrug seinen Drehimpuls und beschleunigte den Neutronenstern wie eine Töpferscheibe. Millisekundenpulsare werden manchmal als durch Akkretion wiedergeboren beschrieben. Eine dritte, exotischere Klasse bilden die Magnetare. Das sind Neutronensterne mit Magnetfeldern, die tausendmal stärker sind als die gewöhnliche Pulsare und 10 hoch 11 Tesla erreichen. Magnetare können in unregelmäßigen Abständen gewaltige Ausbrüche von Röntgen - und Gamma -Strahlung aussenden. Das berühmteste solche

20:05 Ereignis, ein riesiger Flare des Magnetars, SIGSO 106 UNUT 26 im Dezember 2004, setzte so viel Energie frei, dass er für den Bruchteil einer Sekunde das gesamte sichtbare Universum in Gammastrahlen überstrahlte. Und dann, im nächsten Moment, die erstaunliche Konsequenz, dieser tote Stern, mehr als 40 .000 Lichtjahre entfernt, hatte die obere Ionosphäre der Erde messbar verändert. Ein Stellarver Leichnam. unvorstellbar weit weg, hatte die Atmosphäre unseres Planeten berührt. Um zu verstehen, wie Pulsare als kosmische Labore dienen, brauchen wir ein Beispiel, das uns den Leuchtturm -Mechanismus über das gesamte elektromagnetische Spektrum hinweg in Aktion zeigt und das in lebendigem Detail bestätigt, was die Theorie vorhersagt.

21:08 Der Krebsspulsar erfüllt diesen Zweck. Aufs Genaueste. Der berühmteste Pulsar ist derjenige, der in den Krebsnebel im Sternbildstier eingebettet ist. Der Krebsnebel ist der Überrest einer Supanova, die von chinesischen und arabischen Astronomen im Juli des Jahres 144 beobachtet wurde. Sie verzeichneten einen neuen Stern, der so hell war, dass er 23 Tage lang am Tag sichtbar war.

21:41 und fast zwei Jahre lang mit bloßem Auge sichtbar blieb. Im Zentrum der expandierenden Gaswolke, die zurückbleibt, rotiert ein Neutronenstern mit einer Periode von etwa 33 Millisekunden, ungefähr 30 Mal pro Sekunde. Moderne Instrumente weisen ihn im gesamten elektromagnetischen Spektrum nach. Von Radiowellen über sichtbares Licht bis zu Röntgen und Gamma -Strahlen. Aufnahmen des Hubble -Weltraumteleskops zeigen wirbelnde Gasfilamente, durchzogen von schimmernden blauen Strahlungswolken, die direkt vom Pulsar gespeist werden. Die Energie, die dieser Pulsar pro Sekunde abstrahlt, übertrifft die Gesamtleuchtkraft unserer Sonne um den Faktor 75 .000. Und doch verlangsamt sich seine Rotation nur um etwa 38 Millionen Stellsekunden pro Jahr.

22:38 Aus dieser winzigen Verlangsamung lässt sich die exakte Energieabgabe berechnen. Und sie stimmt mit bemerkenswerter Präzision mit dem Überein, was wir im umgebenden Nebel leuchten sehen. Es ist eine der elegantesten Bestätigungen, die unsere physikalischen Theorien je erhalten haben. Doch Pulsare sind nicht nur schöne Objekte, sie sind außerordentlich wertvolle wissenschaftliche Instrumente. Sie dienen als kosmische Uhren, als Werkzeuge, mit denen wir die Eigenschaften der Raumzeit selbst untersuchen können. 1974 entdeckten Russell Hulse und Joseph Taylor an der University of Massachusetts ein System, das die Astrophysik verändern sollte. Es war der erste bekannte Doppelpulsar. bezeichnet als Psior

23:29 B1930 -16. Zwei Neutronensterne umkreisen einander in einem engen Tanz und vollenden alle sieben Dreiviertelstunden einen vollen Umlauf. Einer von ihnen ist ein Pulsar und seine Signale verraten die präzise Bahn beider Körper. Pulse und Taylor verfolgten dieses System über Jahre und stellten fest, dass die Umlaufzeit allmählich kürzer wurde.

23:56 Die beiden Sterne spiralten Jahr für Jahr in winzigen Schritten enger zusammen. Diese Kontraktion stimmte mit einer Genauigkeit von weniger als einem Prozent mit den Vorhersagen überein, die Albert Einstein 1916 in seiner allgemeinen Relativitätstheorie gemacht hatte. Beschleunigte Massen, so hatte Einstein vorgeschlagen, senden Gravitationswellen aus, Kräuselungen im Gewebe der Raumzeit selbst.

24:23 Diese Abschralung lässt das Doppelstern -System Energie verlieren. Hulse und Taylor erhielten 1993 den Nobelpreis für Physik für diesen ersten indirekten Nachweis von Gravitationswellen. Der direkte Nachweis musste bis September 2015 warten. Damals registrierte das Laserinterferometer Gravitationswellen Observatorium, LIGO, das erste eindeutige Signal.

24:51 Doch Pulsare hatten die Existenz dieser Wellenjahrzehnte zuvor angekündigt. Heute bleiben Pulsare unverzichtbare Werkzeuge der Gravitationswellenforschung, die nach einem Prinzip außerordentlicher Geduld und Größenordnung arbeiten. Mehrere Forschungskonsortien unterhalten Langzeitbeobachtungen von Netzwerten aus Millisekundenpulsaren. Sie suchen nach winzigen Abweichungen in deren Ankunftszeiten, die den Durchgang von Gravitationswellen verschmelzender Supermasse -Eicher, schwarzer Löcher in fernen Galaxien anzeigen würden. Die Methode ist elegant in ihrer Einfachheit, auch wenn die Durchführung jahrzehntesorgfältiger Arbeit erfordert. Betrachten wir, wie sie funktioniert. Ein Pulsar sendet seinen Strahl mit metronomischer Regelmäßigkeit

25:45 aus. Nach Jahren der Beobachtung können Astronomen die Ankunftszeit jedes Pulses auf Mikrosekunden genau vorhersagen. Der Puls heißt durch den Raum, durch das interstellare Medium, über Tausende oder Zehntausende von Lichtjahren. Und er erreicht unsere Radioteleskope hier auf der Erde. Stellen Sie sich nun vor, dass eine Gravitationswelle zwischen dem Pulsar und uns hindurchläuft. Diese Welle ist eine Kräuselung der Raumzeit selbst, eine Dehnung und Stauchung des Gewebes, durch das der Puls reißt. Der Puls kommt etwas früher oder etwas später an als vorhergesagt. Nicht weil der Pulsar sich verändert hat, sondern weil die Entfernung zwischen uns und dem Pulsar durch die vorbeiziehende Welle subtil verändert wurde.

26:38 Ein einzelner Pulsar kann diesen Effekt nicht von anderen Quellen zeitlicher Schwankungen unterscheiden. Aber ein Array aus vielen Pulsaren über die Galaxie verstreut und gleichzeitig über Jahre und Jahrzehnte beobachtet, kann es. Eine Gravitationswelle von einer fernen Quelle würde alle Pulsare in einem charakteristischen Muster beeinflussen, eine koalierte Abweichung, die über das Array hinwegfegt.

27:05 Durch den Vergleich Der Ankunftszeiten von Pulsen dutzender Millisekundenpulsare können Astronomen nach diesem Muster suchen. Sie können lokales Rauschen sowie individuelle Schwankungen herausfiltern, um das gemeinsame Signal sichtbar zu machen. Diese Pulsar Timing Arrays funktionieren wie ein Detektor im galaktischen Maßstab und nutzen die Milchstraße selbst als ihr Instrument. Das North American Nanoherz Observatory for Gravitational Waves, das European Pulsar Timing Array und ähnliche Kooperationen in Australien, China, Indien und Südafrika bauen ihre Datensätze seit 20 Jahren und länger auf. Jede Beobachtung ist ein kleiner Zuwachs zu einer gewaltigen kumulativen Aufzeichnung.

27:57 Die Pulsare selbst leisten die harte Arbeit und halten die Zeit mit unmenschlicher Präzision, während die Astronomen warten, sammeln, vergleichen. Im Sommer 2023 gaben mehrere internationale Kollaborationen bekannt, dass sie nach Jahrzehnten der Beobachtung den ersten starken Hinweis auf einen Gravitationswellen Hintergrund im niederfrequenten Bereich gefunden hatten. Dieser Hintergrund stammt wahrscheinlich von Millionen einzelner Paare supermassereicher schwarzer Löcher, die in fernen Galaxien einander umkreisen und verschmelzen. Es ist ein gewaltiges Summen der Raumzeit, ein leises Grundrauschen des Universums, hörbar gemacht durch die empfindlichen Uhren der Pulsare. Das Signal wird noch verfeinert,

28:47 die Zuversicht wächst mit jedem weiteren Jahr an Daten. Aber die Implikation ist bereits tiefgreifend. Wir haben unsere Galaxie in ein Abhörgerät verwandelt und wir beginnen, den tiefsten Ton zu hören, den das Universum je gespielt hat. Pulsare lehren uns auch etwas über die innere Struktur der Materie und hier bleibt unser Verständnis unvollständig.

29:12 In der äußeren Schicht eines Neutronensterns, nur wenige hundert Meter dick, bildet sich eine feste Kruste aus Atomkernen und freien Elektronen. angeordnet in einem Gitter. Nicht unähnlich gewöhnliche Materie auf der Erde. Darunter liegt eine Schicht, in der die Kernphysik seltsam wird. Physiker, die nach irgendeiner vertrauten Analogie greifen, um diese völlig fremden Strukturen zu beschreiben, nennen dies Kernnudeln. Atomkerne. die in Konfigurationen gepresst werden, die je nach Tiefe und Dichte langen, verhedderten Strängen ähneln oder destapelten Schichten oder von Löchern durchzogenen Gittern.

29:56 Der Name ist verspielt, aber die Physik ist es nicht. Diese Formen repräsentieren das Gleichgewicht zwischen nuklearer Anziehung und elektrostatischer Abstoßung bei Dichten jenseits von allem, was wir herstellen können. Noch tiefer liegt ein suprafluides Meer aus Neutronen, eine Flüssigkeit, die ohne Reibung fließt. Daneben existiert eine supraleitende Mischung aus Protonen, die elektrischen Strom ohne Widerstand leitet. Im äußersten Zentrum, bei Dichten jenseits von allem, was wir nachbilden können, könnten exotische Zustände existieren.

30:37 Dort könnten die einzelnen Quarks, aus denen Neutronen bestehen, frei werden. Und das Bilden, was Physiker ein Quark -Gluon -Plasma nennen. Das bleibt eine der großen offenen Fragen der Physik. Und Pulsare dienen als natürliche Labore, in denen diese Bedingungen untersucht werden können. Jedes Detail ihrer Strahlung, jede winzige Unregelmäßigkeit in ihrer Rotation bietet Hinweise darauf, was sich in ihrem unzugänglichen Inneren verbirgt. Ein solcher Hinweis kommt von Glitches, plötzlichen, kleinen Sprüngen in der Rotationsgeschwindigkeit eines Pulsars. Normalerweise wird ein Pulsar gleichmäßig langsamer, aber gelegentlich für kurze Momente dreht er sich schneller, bevor er seine allmähliche Verlangsamung wieder aufnimmt.

31:29 Diese Glitches deuten darauf hin, dass das Innere kein ftares Ganzes ist. Vielmehr scheint die feste Kruste in einer Art gespanntem Verhältnis zum superfluiden Inneren zu stehen. Gelegentlich rutscht das eine gegen das andere, wie tektonische Platten auf der Erde, die angestaute Spannung in einem Erdbeben feisetzen. Solche Sternbeben können die Kruste eines Neutronensterns aufreißen.

31:59 obwohl diese Wisse wegen der extremen Schwerkraft kleiner als ein paar Millimeter bleiben. Doch selbst diese winzigen Brüche genügen, um die Rotation des gesamten Sterns messbar zu verändern. Pulsare haben sich auch als Navigationshilfen bewährt. Die Idee reicht weit zurück, aber erst in den letzten Jahren wurde sie ernsthaft getestet.

32:24 Da jeder Pulsar auf seiner eigenen charakteristischen Frequenz endet, können sie als kosmische Leuchtfeuer zur Bestimmung der Position eines Raumfahrzeugs dienen. Mit mehreren bekannten Pulsaren und ihren präzisen Pulsmustern ließe sich theoretisch weit außen im Sonnensystem oder sogar darüber hinaus eine Positionsbestimmung vornehmen, ähnlich wie GER -Satelliten uns auf der Erde dienen. 2018 demonstrierte die NASA Dieses Prinzip mit einem Experiment namens Sextant an Bord der Internationalen Raumstation. Sie zeigte, dass Röntgenpuls -R Navigation eine Genauigkeit von wenigen Kilometern erreichen kann. Künftige Raumfahrzeuge, die sich in das äußere Sonnensystem oder den interstellaren Raum wagen, könnten ihren Weg finden, indem sie

33:16 Signale von längst toten Sternen lesen. Selbst wenn sie fern und unzugänglich erscheinen, sind Pulsare nicht von uns getrennt. Sie bilden ein Netzwerk von Leuchtfeuern, das sich durch unsere Galaxie zieht und uns hilft, ihre Struktur zu kartieren. Ihre Radiowellen werden beim Durchqueren des interstellaren Gases zwischen den Sternen charakteristisch gestreckt, wobei niedrige Frequenzen etwas später ankommen, als höhere. Aus diesem Dispersionseffekt lässt sich die Dichte des Mediums berechnen. das sie durchquert haben. Pulsare sind also nicht nur Boten ihrer eigenen Geschichte, sondern auch Vermesser des Raums zwischen den Sternen, des Mediums, durch das ihre Signale uns erreichen. Wenn wir versuchen, uns einen

34:08 Pulsar vorzustellen, mögen wir uns einen winzigen, leuchtenden Kreisel ausmalen, der hoch oben in der Stille des Weltraums rotiert. umgeben von schraffen Magnetfeldlinien, entlang derer Teilchenströme gleiten und ihre Strahlung zu zwei schmalen Lichtkegeln bündeln. Wir mögen uns einen Stern vorstellen, der auf die Größe einer Stadt zusammengepresst ist und doch die Masse einer ganzen Sonne trägt.

34:37 Stahlen, die in unermüdlichem Rhythmus durch den Raum fegen und einen Bruchteil ihrer Energie in Antennen auf der Erde ablagern, viele tausend Jahre nachdem sie ausgesandt wurden. Natürliche Atomohren, die seit den frühen Tagen unseres Sonnensystems swingen und uns Geschichten von längst toten Sternen erzählen. Vielleicht ist es ihre Ruhe inmitten der gewaltsamsten physikalischen Bedingungen, die man sich vorstellen kann. was uns an Pulsaren bewegt. Sie sind überlebende katastrophale Explosionen. Ihre Existenz beginnt mit einem der gewaltsamsten Ereignisse, die das Universum hervorbringen kann. Und doch ist ihr Wesenbeständigkeit, Rhythmus, regelmäßige Wiederkehr.

35:25 Sie sind das beinahe Unmögliche verlässlich gemacht über ungeheure Zeitspannen hinweg. Wenn wir das Signal eines Pulsars empfangen, der 30 .000 Lichtjahre entfernt ist, detektieren wir Strahlung, die ausgesandt wurde, als die letzten Eiszeiten auf der Erde ihren Höhepunkt erreichten. Als die ersten Kunstwerke in europäischen Höhlen entstanden, das Licht des Krebsspulsars, das uns heute erreicht, begann seine Reise vor 6500 Jahren, als in Mesopotamien die ersten Städte entstanden. In jedem Moment blicken wir auf eine andere Vergangenheit. Und je ferner der Pulsar, desto tiefer reicht dieser Blick in die kosmische Geschichte. Wir mögen auch an die Zukunft denken, wenn wir Pulsare betrachten. Unsere eigene Sonne wird, wenn sie

36:19 das Ende ihres Lebens erreicht, kein Pulsar werden. Sie ist zu klein. Sie wird ihre äußeren Schichten als planetarischer Nebel abstoßen. und einen weißen Zwerg zurücklassen, einen anderen und weniger dramatischen Endpunkt. Aber die massereicheren Geschwister unserer Sonne, die blauen Riesensterne, die wir als helle Punkte am Nachthimmel sehen, werden in Millionen von Jahren als Supernovae enden und zu Neutronensternen werden, die als Pulsare leuchten können. Oder, wenn sie massereich genug sind, direkt zu schwarzen Löchern kollabieren.

37:00 Manchmal entstehen Pulsare relativ nahe. Betalgeuze, der hellste Stern im Orion, wird voraussichtlich innerhalb der nächsten 100 .000 Jahre als Supernova explodieren. Ein solches Ereignis wäre von der Erde aus sichtbar, etwa so hell wie der Vollmond, auch wenn es in einer Entfernung von ungefähr 540 Lichtjahren keine Gefahr darstellen würde.

37:27 Ein Neutronenstern könnte zurückbleiben und vielleicht eines Tages an unserem Himmel pulsieren. Wenn wir von dieser Reise zu unserem eigenen Planeten zurückkehren, zu jener kleinen blauen Kugel in der Stille des Weltraums, sehen wir ihn vielleicht mit veränderten Augen. Wir, die wir Pulsaren lauschen, sind das hörende Ohr des Kosmos, das seinen eigenen Klängen Aufmerksamkeit schenkt.

37:54 Die Leuchtturmstrahlen fegen weiter, gleichgültig, ob jemand zusieht. Doch wir haben gelernt, sie zu empfangen, ihre Zeitabstände zu lesen, in ihren Mikrosekundenschwankungen den Durchgang von Gravitationswellen aus Quellen jenseits unserer direkten Wahrnehmung zu erkennen. Wir haben die Leichname toter Sterne genommen und aus ihnen ein galaktisches Instrument gemacht, ein Mittel, dem tiefsten Summen des Universums zu lauschen.

38:22 Die Pulsare wissen das nicht. Sie drehen sich einfach, senden ihre Strahlen in unermüdlichem Rhythmus aus und kühlen allmählich ab, der Kälte der tiefen Zeit entgegen. Wie sind es, die Bedeutung in ihrem Drehen gefunden haben, die aus ihrer Beständigkeit einen weggebaut haben, zu hören, was sonst still bliebe? Und darin liegt vielleicht eine stillere Art des Staunens nicht. dass das Universum zu uns spricht, sondern dass wir gelernt haben, geduldig und beharrlich auf seine Stimme zu achten.