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Montag Januar 30, 2023

Mysteriöses interstellares Plasma von funkelnden Pulsaren enthüllt

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Künstlerische Darstellung eines Pulsars. Bildnachweis: Carl Knox, OzGrav-Swinburne University


Gelegentlich zeigen Pulsare – sich schnell drehende Überbleibsel von Sternen, die wie ein Leuchtturm blinken – extreme Helligkeitsschwankungen. Astrophysiker sagen voraus, dass diese kurzen Helligkeitsausbrüche aufgrund dichter interstellarer Regionen auftreten Plasma (das heiße Gas zwischen den Sternen) streuen die von der emittierten Radiowellen Presse. Wir wissen jedoch immer noch nicht, woher die Energiequellen stammen, die zur Bildung und Aufrechterhaltung dieser dichten Plasmaregionen erforderlich sind. Um diese interstellaren Formationen besser zu verstehen, sind detailliertere Beobachtungen ihrer kleinräumigen Struktur erforderlich. Ein vielversprechender Weg dafür ist das Funkeln oder „Funkeln“ von Pulsaren.

Wenn die Radiowellen eines Pulsars vom interstellaren Plasma gestreut werden, interferieren die einzelnen Wellen und erzeugen ein Interferenzmuster auf der Erde. Wenn sich Erde, Pulsar und Plasma relativ zueinander bewegen, wird dieses Muster als Helligkeitsvariationen in Zeit und Frequenz beobachtet: das dynamische Spektrum. Das ist Szintillation oder „Funkeln“. Die Streuung und das Funkeln treten dank der punktförmigen Natur der Pulsarsignale in kleinen Bereichen des Plasmas auf. Nach einer speziellen Signalverarbeitung des dynamischen Spektrums können wir lebhafte parabolische Merkmale beobachten, die als Szintillationsbögen bekannt sind und mit dem Bild der gestreuten Strahlung des Pulsars am Himmel zusammenhängen.


Ein besonderer Pulsar namens J1603-7202 wurde 2006 extrem gestreut. Dies macht ihn zu einem spannenden Ziel für die Untersuchung dieser dichten Plasmaregionen. Die Flugbahn des Pulsars wurde jedoch noch nicht bestimmt, da er einen anderen kompakten Stern namens a umkreist Weißer Zwerg in einer Umlaufbahn von Angesicht zu Angesicht, und Astronomen haben keine alternativen Methoden, um es in dieser Situation zu messen. Glücklicherweise dienen Szintillationsbögen einem doppelten Zweck: Ihre Krümmung hängt von der Geschwindigkeit des Pulsars sowie von der Entfernung zum Pulsar und zum Plasma ab. Wie sich die Geschwindigkeit des Pulsars während seiner Umlaufbahn ändert, hängt von der Ausrichtung der Umlaufbahn im Raum ab. Daher haben wir im Fall von Pulsar J1603-7202 die Änderungen der Krümmung der Bögen im Laufe der Zeit berechnet, um die Ausrichtung zu bestimmen.

Die Messungen, die wir für die Umlaufbahn des Pulsars J1603-7202 erhalten haben, sind eine deutliche Verbesserung gegenüber früheren Analysen. Dies demonstriert die Lebensfähigkeit der Szintillation bei der Ergänzung alternativer Verfahren. Wir maßen die Entfernung zum Plasma und zeigten, dass sie etwa drei Viertel der Entfernung zum Pulsar von der Erde entfernt war. Dies scheint nicht mit den Positionen bekannter Sterne oder interstellarer Gaswolken übereinzustimmen. Pulsarszintillationsstudien erforschen häufig solche Strukturen, die ansonsten unsichtbar sind. Die Frage bleibt also offen: Was ist die Quelle des Plasmas, das die Strahlung des Pulsars streut?

Schließlich können wir mithilfe unserer Bahnmessung die Masse des Orbitalbegleiters von J1603-7202 abschätzen. Es wurde auf etwa die Hälfte der Sonnenmasse berechnet. Zusammen mit der stark kreisförmigen Umlaufbahn von J160-7202 impliziert dies, dass der Begleiter wahrscheinlich ein stellarer Überrest ist, der aus Kohlenstoff und Sauerstoff besteht – ein seltenerer Fund um einen Pulsar als die häufigeren Überbleibsel auf Heliumbasis.


Da wir jetzt über ein nahezu vollständiges Modell der Umlaufbahn verfügen, ist es derzeit möglich, Szintillationsbeobachtungen von J1603-7202 in am Himmel gestreute Bilder umzuwandeln und das interstellare Plasma im Maßstab des Sonnensystems zu kartieren. Die Erstellung von Bildern der physikalischen Strukturen, die eine extreme Streuung von Radiowellen verursachen, kann uns ein besseres Verständnis dafür vermitteln, wie solche dichten Regionen entstehen und welche Rolle das interstellare Plasma bei der Entwicklung von Galaxien spielt.

Geschrieben von Doktorand Kris Walker (ICRAR-UWA) und Dr. Daniel Reardon (OzGrav-Swinburne University).

Referenz: „Orbital Dynamics and Extreme Scattering Event Properties from Long-term Scintillation Observations of PSR J1603−7202“ von Kris Walker, Daniel J. Reardon, Eric Thrane und Rory Smith, 28. Juni 2022, Das astrophysikalische Tagebuch.
DOI: 10.3847/1538-4357/ac69c6

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