Sehr geehrte Damen und Herren,
meiner Ansicht nach sind für unser Verständnis der Physik zum jetzigen Zeitpunkt hauptsächlich zwei Grenzen von Bedeutung.
Eine davon liegt auf der submikroskopischen Ebene – lassen Sie es uns den Mikroweltraum der Elementarteilchenphysik nennen.
Zwar lässt sich dieser Bereich mit Hilfe von Hochenergieteilchenbeschleunigern im Labor untersuchen,
diese Technologie wird jedoch immer komplexer und kostspieliger.
Die zweite Grenze – am anderen Ende der Längenskala – ist der Weltraum;
hier kommt die großmaßstäbliche Physik ins Spiel, d.h. es geht um Fragen wie den eigentlichen Ursprung von Raum und Zeit,
die Lebensgeschichte von Galaxien oder die Evolution des Universums.
All dies lässt sich nicht im Labor erforschen –
hier gilt es die Physik über die Grenzen der irdischen Erkundungsmöglichkeiten hinaus auszuweiten
und einfach das Zusammenspiel von Phänomenen im kosmischen Umfang zu beobachten.
Der Hauptnachteil dieser Vorgehensweise liegt darin, dass wir unsere Experimente natürlich nicht wie im Labor aufbauen können,
da sich die Bedingungen nicht anpassen lassen.
Der Vorteil wiederum ist, dass uns zahlreiche Parameter zur Verfügung stehen,
die weit jenseits all dessen liegen, was wir hier auf der Erde realisieren können.
Unser Problem ist also, die Physik auf diese indirekte Weise auszuweiten und von dem Wissen, das wir im Labor erworben haben,
auf die Grenzen von Raum und Zeit zu schließen.
Es gibt zahlreiche Phänomene, die sich von all unseren bisherigen Erkenntnissen deutlich unterscheiden.
Die Effekte der von Einstein in der allgemeinen Relativitätstheorie prognostizierten Krümmung der Raum-Zeit
sind nur mit Hilfe der besten und modernsten Methoden in unseren Laboren nachweisbar.
Bei der Erforschung der Natur auf lange Distanzen können die Effekte der Raumkrümmung sehr dominant werden.
Angesichts der Massekonzentrationen, die sich im Weltraum finden, können Raum und Zeit zusammenrücken.
Wir können Blasen in der Raum-Zeit erzeugen, d.h. Regionen,
in denen unser eigenes Universum vollständig frei von jeglichen Phänomenen ist.
Es gibt einen Ereignishorizont.
Ich spreche selbstverständlich von den gemeinhin so genannten schwarzen Löchern.
In jüngster Zeit wurden auf diesem Gebiet rasante Fortschritte erzielt.
Es wurde ein Zusammenhang zwischen Quantenelektrodynamik und allgemeiner Relativitätstheorie hergestellt,
was meiner Ansicht nach eine deutliche Parallele zu der in den Ausführungen von Professor Dirac erwähnten Forschungsentwicklung
im Hinblick auf die von ihm nachgewiesene Verknüpfung der Quantentheorie
mit der begrenzteren speziellen Relativitätstheorie Einsteins darstellt.
Wir wissen, welche Fortschritte sich aus dieser Verknüpfung ergeben haben,
und ich denke, dass die Verbindung von Quantenphysik und allgemeiner Relativitätstheorie,
wie sie zur Zeit von Wissenschaftlern wie Stephen Hawking entwickelt wird,
auch mit Blick auf das Verständnis des Universums im Großen entsprechende Fortschritte zur Folge haben können.
Hier geht es um Eigenschaften der großmaßstäblichen Physik, die aus meiner Sicht höchst ergiebig sind
und von denen wir in den kommenden Jahren noch viel hören werden.
In meinem heutigen Vortrag möchte ich jedoch etwas bescheidener sein und mich mit Problemen beschäftigen,
die auftreten, wenn Materie unter Kompression in Zustände übergeht,
aufgrund derer sie sich von der uns aus dem Labor bekannten Materie stark unterscheidet.
Kosmische Kräfte wie z.B. die Gravitation, die im Inneren massereicher Sterne auftritt, reichen aus,
um Materie soweit zu komprimieren, dass die Atome – die einfachen Atome – buchstäblich zu nichts zermalmt werden,
so dass ein neuer Materiezustand entsteht, in dem die Dichte tausend Millionen Tonnen pro Kubikzentimeter betragen kann.
Die Möglichkeit, dass kondensierte Materie in diesem Zustand existiert, wurde bereits 1932,
kurz nach Entdeckung des Neutronenteilchens durch Chadwick, erstmals erwogen.
Diskutiert wurde der Begriff der kondensierten Materie meines Wissens nach erstmals in Kopenhagen,
als die Nachricht der Entdeckung den dort weilenden russischen Wissenschaftler Landau erreichte
und dieser mit Niels Bohr und Rosenfeld zum ersten Mal über diese Art Materie sprach.
Der Gedanke wurde jedoch erst einige Jahre später weiterentwickelt; damals prognostizierten die Astronomen Baade und Zwicky,
dass sich im Weltraum derartige Materie eventuell in den Trümmern einer Supernova-Explosion finden ließe.
In der theoretischen Physik versuchte man anhand von Modellen herauszufinden, wie ein Stern beschaffen wäre,
wenn seine Atome bis zur Nichtexistenz komprimiert wären und im Grunde genommen ein Materieklumpen entstanden wäre,
dessen Dichte etwa der des Atomkerns entspricht.
Diese Modelle wurden zwar in den dreißiger Jahren von Wissenschaftlern wie Oppenheimer und Volkoff diskutiert,
meiner Ansicht nach war das Thema aber bis vor kurzem von rein akademischem Interesse,
da es keine Belege für die Existenz einer solchen Materie gab.
Erste Hinweise darauf, dass es derartige Sterne geben könnte, ergaben sich erst, als wir 1967 in Cambridge die Pulsare entdeckten.
Um Ihnen die wichtigsten Punkte in Erinnerung zu rufen, die uns zu dem Schluss kommen ließen,
dass Materie dieser enormen Dichte tatsächlich existiert, sollte ich Ihnen kurz skizzieren,
welche grundlegenden Hinweise uns Pulsare liefern.
Kann ich bitte das erste Dia haben?
Wie hier dargestellt, empfingen Radioteleskope Strahlung im Radiowellenlängenbereich,
die aus einer regelmäßigen Abfolge von Impulsen bestand und von bestimmten Objekten im Weltraum emittiert wurde.
Bei diesen Objekten handelt es sich, wie Sie wissen, um Pulsare.
Eine derartige Strahlung ließ sich natürlich überhaupt nicht voraussagen, und es erschien zunächst sehr seltsam,
dass es am Himmel Objekte geben sollte, die Strahlung in Form einer absolut regelmäßigen Abfolge von Impulsen emittieren –
typischerweise im Abstand von einer Sekunde und für die Dauer mehrerer Hundertstel Sekunden.
Wie sich sehr rasch herausstellte, war das Erstaunliche an diesen Strahlungsquellen die unglaubliche Exaktheit,
mit der die Impulse abgestrahlt wurden.
Sorgfältige Messungen belegen dies, mit Ausnahme von vielleicht ein oder zwei Fällen,
bei denen das Ausmaß des Effekts für den Nachweis zu gering ist.
Es ist praktisch immer eine zeitliche Verlangsamung der Impulsfrequenz zu verzeichnen.
Zwar dauert es für gewöhnlich lange, bis etwas Auffallendes geschieht,
doch wenn Sie im Falle der auf diesem Dia dargestellten Strahlungsquelle warten müssten,
wenn Sie etwa einhundert Millionen Jahre lang warten und dann erneut Beobachtungen anstellen müssten,
wäre die Impulsfrequenz im Vergleich zu heute nur etwa halb so groß.
Meistens entdeckt man diese seltsamen Objekte mit Hilfe von Radioteleskopen, doch es gibt ein berühmtes Beispiel,
wo man einen Pulsar tatsächlich sehen kann.
Ich würde Ihnen das gerne zeigen, schließlich ist Sehen glauben.
Kann ich bitte das nächste Dia haben?
Das Objekt, das Sie hier sehen, stellt eine der berühmtesten in der Astronomie bekannten Supernovae dar.
Es sind die Überreste eines im Jahre 1054 explodierten Sterns.
Chinesische Astronomen waren Zeuge dieser Explosion und dokumentierten sie.
Der Stern war damals am helllichten Tag sichtbar.
Was wir heute sehen, ist eine expandierende Wolke, und das Objekt von Interesse ist dieser Stern hier.
Nahe dem Zentrum des Nebels befindet sich ein Sternenpaar; der rechte untere Stern ist der Pulsar.
Zwar ist dieser Stern den Astronomen seit vielen Jahren bekannt, doch man realisierte erst nach Entdeckung der Pulsare,
dass er sein Licht sehr regelmäßig mit einer Frequenz von 30 Zyklen pro Sekunde abstrahlt.
Installiert man in einem Teleskop ein Stroboskop, lässt sich dieser Effekt
– kann ich bitte das nächste Dia haben?– mit Hilfe der Stroboskoptechnik darstellen.
Dieses Bild ist eine Vergrößerung; hier sind die beiden Sterne im Zentrum des Nebels.
Der rechte untere Stern ist der Pulsar.
Wir sehen hier ein Einzelbild, das nächste Einzelbild wurde einige Millisekunden später aufgenommen.
Der Stern hier ist völlig verschwunden, seine Strahlung ist komplett ausgelöscht.
Der Stern blinkt, wie wir wissen, mit einer Frequenz von ca. 30 Blitzen pro Sekunde.
Wie lässt sich dieses Phänomen in einfachen Worten erklären?
Nun, früher gab es unterschiedliche Vorstellungen – ich will Sie aber nicht mit all den damaligen Theorien langweilen.
Gemäß der einzigen Theorie, die die Zeiten überdauert hat, lässt sich diese Strahlung nur erklären,
wenn wir einen Stern haben, der sich tatsächlich wie das Signalfeuer eines Leuchtturms verhält,
einen Stern, der sich schnell um seine eigene Achse dreht und einen genau definierten Strahl erzeugt.
Kann ich bitte das nächste Dia haben?
Das Phänomen, das unserer Ansicht nach die Impulse am besten erklärt, könnte z.B. so aussehen:
Sie haben einen Stern, der einen genau definierten Strahl erzeugt.
Rotiert der Stern, kreist dieser Strahl um den Himmelskörper, und Beobachter,
die sich im richtigen Breitengradgürtel in Bezug auf den Stern befinden, sehen bei jeder Rotation des Sterns einen Blitz.
Dieses Modell ist stark vereinfacht:
Es ist wahrscheinlich realistischer anzunehmen, dass der Stern in Wirklichkeit einen Strahl entlang einer Achse erzeugt,
die vielleicht nicht mit der Rotationsachse übereinstimmt,
und die Blitze dieses Strahls von zwei Regionen des Weltalls aus beobachtet werden können.
Problematisch ist vor allem, einen Stern zu finden, der sich so schnell drehen kann, dass dies die beobachteten Blitze erklärt.
Dieses Problem ist grundlegender Natur.
Die Entdeckung eines Sterns, der bei dieser enormen Rotationsgeschwindigkeit zusammenhält,
so wie es das Phänomen verlangt, ist schwierig.
Auf alle Sterne wirken die Gravitationskräfte; dreht sich ein Stern zu schnell um seine Achse,
fliegt er wie ein explodierendes Schwungrad in Einzelteilen auseinander.
Bis zur Entdeckung der Pulsare war der kompakteste in der Astronomie bekannte Stern der weiße Zwerg,
ein Stern, der etwa die Größe unserer Erde hat.
Sterne dieser Art, aus einer solchen Materie können zwar ohne Unterbrechung einmal alle paar Sekunden rotieren,
sie drehen sich aber nicht schnell genug, als dass sich damit die schnellsten Pulsare, die wir beobachten, erklären ließen.
Der einzig mögliche Kandidat ist ein Stern, in dem sich Materie im Neutronenstatus befindet – was ich später erläutern werde.
Ein solcher Stern kann mit einer Geschwindigkeit von mehreren tausend Umdrehungen pro Sekunde rotieren;
die Schwerkraft reicht dabei aus, den Stern zusammenzuhalten.
Dieser Stern ist der einzige bekannte, theoretische Stern, der das Pulsarphänomen erzeugen könnte.
Ich möchte das hier nicht im Einzelnen erläutern, aber es gibt zahlreiche Hinweise, die diese Schlussfolgerung untermauern.
Bei Entdeckung der Pulsare wurde in der Tat vermutet, dass ein solcher Stern für die Impulse verantwortlich ist.
Es gab aber auch verschiedene andere Erklärungsmöglichkeiten.
Die Schlussfolgerung, dass es sich bei dem Stern um einen Neutronenstern handeln musste,
wurde etwa zwei Jahre nach Entdeckung der Pulsare bestätigt, und diese Theorie ist heute allgemein anerkannt.
Ich möchte, dass Sie das seltsame Verhalten verstehen, das Materie an den Tag legt,
wenn sie die Dichte erreicht, wie sie in einem Neutronenstern herrscht.
Zu diesem Zweck möchte ich auf die Elementarphysik zurückkommen,
da sich die Eigenschaften von Materie unter extremer Kompression aus dem,
was wir bereits über das Verhalten der Elementarteilchen wissen, tatsächlich mit einiger Genauigkeit vorhersagen lassen.
Kann ich bitte das nächste Dia haben?
Hier habe ich sehr schematisch das Verhalten von Materie, normaler Materie, unter Kompression skizziert.
Wir beginnen mit Materie, wie wir sie kennen, vielleicht einem Stück Eisen oder etwas in der Art.
Aus einem einfachen Modell wissen wir, dass Atome einen Kern besitzen, in dessen Zentrum sich schwere Teilchen befinden,
und sich in dem Bereich um diesen Kern herum Elektronen bewegen, und zwar nach den Gesetzen der Quantenmechanik.
Dieses Phänomen kennen Radioastronomen:
Genau das ist die Schwierigkeit, mit der wir es bei unseren Experimenten zu tun haben, dieses Rauschen,
das man häufig beim Radioteleskop hört und das von einer 20 Meilen entfernten Landmaschine stammen kann.
(Gelächter).
(Beifall).
Doch zurück zur normalen Materie.
In welchem Abstand zum Kern sich die Elektronen befinden,
wird durch die grundlegendste Eigenschaft der Elementarteilchen bestimmt:
sie sind mit einer Quantenwellenlänge assoziiert.
Wir erinnern uns:
Die Quantenwellenlänge – de-Broglie wies erstmals darauf hin – hängt von der Geschwindigkeit ab, mit der sich das Teilchen bewegt.
Die Wellenlänge eines Teilchens ist die Plancksche Konstante geteilt durch das Drehmoment des Teilchens.
In normaler Materie befinden sich die Elektronen in einem Abstand von ca. einem Ångström vom Kern,
was die Dichte normaler Materie um uns herum in der Welt definiert.
Die Atome in einem Feststoff liegen etwa so nah beieinander wie es die Elektronenorbitale erlauben,
und der Zustand der Materie, wie wir sie um uns herum sehen, wird im Wesentlichen durch die Plancksche Konstante bestimmt.
Es ist vielleicht schwer zu glauben, doch normale Materie besteht praktisch aus leerem Raum.
Innerhalb eines Atoms ist so enorm viel leerer Raum, weil die Elementarteilchen weit voneinander entfernt sind.
Was passiert also, wenn wir eine solche Materie komprimieren?
Derartige Experimente lassen sich auf der Erde nur im Labormaßstab durchführen.
Wenn jedoch kosmische Kräfte einen stetig wachsenden Druck auf normale Materie ausüben,
kann dies erstaunliche Veränderungen zur Folge haben.
Beim Zusammendrücken der Atome haben die Elektronen natürlich weniger Raum, in dem sie sich bewegen können.
Aus der Quantenmechanik wissen wir, dass eine Verkürzung ihrer Wellenlänge notwendig ist,
damit sie in den zur Verfügung stehenden Raum passen.
Dabei erhöht sich aber gleichzeitig ihre Geschwindigkeit.
Dies ist die elementare Aussage der Quantenmechanik.
Beim Zusammendrücken der Atome bewegen sich also die Elektronen schneller.
Wird die Materie komprimiert, bis sie eine Dichte besitzt, die sich niemals im Labor erzielen ließe,
sagen wir eine Dichte von einer Tonne pro Kubikzentimeter,
dann benötigen die Elektronen, um in den zur Verfügung stehenden Raum zu passen, eine so kleine Wellenlänge,
dass sie sich extrem schnell bewegen und nicht länger in der Umlaufbahn um einen bestimmten Atomkern herum gefangen sind,
sondern sich zwischen den Atomkernen frei bewegen.
Alle Elektronen in jedem Atom sind von einem bestimmten Kern dissoziiert.
Diesen Materiezustand bezeichnen wir als degenerierte Materie.
Einige Elektronen – degenerierte Elektronen – kennen wir aus der Physik der normalen Metalle.
Unter dieser Kompression degenerieren jedoch alle Elektronen,
und wenn Materie eine Dichte von einer Million Tonnen pro Kubikzentimeter erreicht hat, tritt der Zustand ein,
in dem sich alle Elektronen in der Materie frei bewegen.
Hierzu müssen sie sich allerdings sehr schnell bewegen, beinahe mit Lichtgeschwindigkeit.
Wird die Materie weiter komprimiert, kommt es zu einer erstaunlichen Veränderung.
Die Materie besteht hier hauptsächlich aus positiv und negativ geladenen Teilchen und natürlich auch einigen Neutronen.
Diese Elementarteilchen, die Neutronen, bestehen, einfach ausgedrückt,
im Wesentlichen aus jeweils einem Proton und einem Elektron mit unterschiedlicher Ladung.
Erzeugt man in einem Reaktor – z.B. in dem Reaktor in Grenoble, von dem wir in dieser Woche bereits gehört haben –
freie Neutronen, werden aus dem Neutron normalerweise innerhalb weniger Minuten zwei geladene Teilchen,
das Proton und das Elektron, sowie andere Teilchen zur Aufrechterhaltung des Gleichgewichts.
Die Lebensdauer dieser Teilchen ist wie gesagt kurz und beträgt lediglich ein paar Minuten.
Bei ausreichend komprimierter Materie ist es jedoch für Protonen und Elektronen energetisch günstiger
sich zu Neutronen zusammenzuschließen.
Die Reaktion läuft also mit anderen Worten von links nach rechts ab.
Die Natur wählt möglichst immer den Zustand der geringsten Energie, und es ist nicht schwer auszurechnen,
dass die Energie komprimierter Materie bei einem Zusammenschluss von Protonen und Elektronen zu Neutronen geringer ist.
Der Grund hierfür ist, dass die hohe Energie, die notwendig ist,
damit die Elektronen in einen kleinen Raum passen, zur Folge hat,
dass die Energie auf dieser Seite größer ist als die auf der anderen Seite,
sofern nicht eine Umwandlung von Protonen und Elektronen in Neutronen stattfindet.
Die zunehmende Kompression dieser Materie führt also letztendlich zu einem Gleichgewichtszustand,
in dem die Materie hauptsächlich stabile Neutronen enthält.
Natürlich gibt es immer einen Anteil geladener Teilchen, dieser ist jedoch im Allgemeinen gering.
Das Neutronenmaterial besitzt eine Dichte, die in etwa dem des Atomkerns entspricht,
d.h. einhundert oder vielleicht sogar eintausend Millionen Tonnen pro Kubikzentimeter.
Wir können uns diese Zahl nur schwer vorstellen.
Physiker freuen sich zwar immer, wenn sie mit großen Zahlen jonglieren können,
versuchen normalerweise aber nicht sich deren Bedeutung vorzustellen.
Doch obwohl es physikalisch gesehen eigentlich Unsinn ist,
möchte man bei Erläuterungen eben gerne in etwa die Größenordnung wissen.
Ich kann Ihnen nur sagen, dass ein Löffel Materie eines Neutronensterns,
ein Löffel eines derartigen Neutronenmaterials genügend Materie enthalten würde,
um alle Schiffe zu bauen, die derzeit unsere Meere befahren.
Es handelt sich also im Wesentlichen um Elementarphysik, das Ergebnis eines idealisierten Experiments,
bei dem wir einfach Materie auf dem Labortisch komprimieren.
Derartige Phänomene erleben wir auch beim Blick in den Himmel.
Diese grundlegenden physikalischen Gesetze sind für die Evolution und den Lebenszyklus normaler Sterne von großer Bedeutung.
Kann ich bitte das nächste Dia haben?
Ich habe hier in stark vereinfachter Form skizziert, was wahrscheinlich bei den meisten Sternen,
die wir am Himmel sehen, passiert.
Nehmen wir einen normalen Stern, z.B. die Sonne, die ganz oben dargestellt ist –
wobei natürlich jeder halbwegs kleine Stern ein Kernfusionsreaktor ist,
in dem unter Freisetzung von Energie die einfachen Atomkerne zu komplexeren verschmelzen.
Der Stern hat die Größe wie wir ihn sehen, da sich der in seinem Inneren durch den Fusionsreaktor erzeugte Druck,
durch den sich der Stern ausdehnt, und die Schwerkraft, die den Stern komprimiert, im Gleichgewicht befinden.
Ein Stern ist also ein Schlachtfeld,
auf dem sich der nach außen gerichtete Druck und die nach innen zielende Schwerkraft im Widerstreit befinden.
Hierdurch wird die Größe, mit der wir den Stern sehen, bestimmt.
Mit fortschreitender Reaktion und zuletzt aufgebrauchtem Brennstoffvorrat bleibt nur die Asche des Kernfusionsprozesses übrig.
Die Schwerkraft presst den Stern unwiderruflich zusammen,
und am Ende haben wir im Falle eines leichten Sterns ein kleines Objekt aus degenerierter Materie
einer Dichte von etwa einer Tonne pro Kubikzentimeter – einen weißen Zwerg.
Wir sehen viele Sterne dieser Art am Himmel.
Ist der Stern jedoch von Beginn an schwerer als die Sonne, verläuft sein Weg ins Rentenalter nicht so friedlich.
Bei einem schweren Stern kommt es, wenn der Brennstoff zur Neige geht und die Schwerkraft ihn zusammendrückt,
in seinem Inneren, dem Schauplatz des Geschehens, zu einer Umwandlung von Elektronen und Protonen in Neutronen.
Dadurch fällt plötzlich die Ursache für den im Inneren des Sterns herrschenden Druck, der den Stern im Gleichgewicht hält, weg.
Bei einem schweren Stern ist es also eher wie mit einem Luftballon, in den man mit einer Nadel sticht.
Bei der Umwandlung in Neutronen fällt der Innendruck drastisch ab
und das Innere des Sterns kann innerhalb eines Zeitraums
in der Größenordnung von einer Sekunde oder weniger ganz plötzlich einfach kollabieren.
Hatte er vorher die Größe eines weißen Zwergs, so ist er jetzt ein wesentlich kleineres Objekt.
Der letzte Schritt in der Entwicklung eines Sterns kann also recht dramatisch sein.
Die kollabierenden Fusionsprodukte gelangen erst wieder ins Gleichgewicht,
wenn das Material fast ganz aus Neutronen besteht und eine Dichte von eintausend Millionen Tonnen pro Kubikzentimeter aufweist.
In diesem Zustand nimmt das Material bloß wenig Raum ganz in der Nähe des Zentrums des Sterns ein;
da es regelrecht vom Rand des Sterns in dessen Mitte gefallen ist, bewegt es sich bei einem Stern,
der sagen wir zehnmal massereicher ist als die Sonne, im Verhältnis zu dessen einstürzendem Kern sehr schnell.
Das kollabierende Material fällt nahezu mit Lichtgeschwindigkeit nach innen.
Wenn es kollidiert, so wie hier im Zentrum, kann die Situation recht unübersichtlich werden.
Es wird jedoch eine enorme Menge Energie freigesetzt, was natürlich eine Stoßwelle auslöst,
die sich vom Zentrum nach außen ausbreitet und das verbleibende Material,
das nicht schnell genug kollabieren konnte, in den Weltraum katapultiert.
Dies also ist kurz gesagt die Theorie, die nach Ansicht der Astronomen das Phänomen der explodierenden Sterne erklärt:
die Supernova.
Wir erwarten nun, dass im Zentrum einer Sternenexplosion Neutronenmaterial zurückbleibt.
Das ist aber nur ein mögliches Ende eines relativ massereichen Sterns.
Schwerere Sterne können sogar noch dramatischere Entwicklungszyklen durchlaufen
und schlussendlich in die Raum-Zeit-Blasen stürzen, von denen ich gesprochen habe,
die schwarzen Löcher der allgemeinen Relativitätstheorie.
In diesem Fall würde der Stern kollabieren, bis er völlig von der Bildfläche verschwunden und nur noch, wie man,
ich erwähnte es bereits, heute annimmt, ein Quanteneffekt ist, der verhindern kann, dass Materie auf ein Nullvolumen kollabiert.
Hierbei handelt es sich um einen Bereich der Physik, den man noch nicht sehr gut versteht.
Mit diesem Problem sind wir also derzeit konfrontiert.
Wir erwarten einen Neutronenstern zu finden, im Zentrum einer Sternenexplosion verbliebenes Neutronenmaterial.
Diese Neutronenkugel kann man sich als Asche einer bestimmten Art von Sternenexplosion vorstellen.
Das Material ist vollständig inert und behält einfach die physikalischen Eigenschaften aus dem Moment seiner Entstehung bei.
Der Brennstoff ist aufgebraucht und es können keine weiteren Fusionsreaktionen mehr stattfinden.
Nun, wir können uns vorstellen, wie ein kalter Neutronenstern aussieht.
Kann ich bitte einen Augenblick Licht haben?
Wenn wir uns einen Neutronenstern denken, der in etwa die Masse eines Körpers besitzt, der so groß ist wie die Sonne,
so hat dieser Stern, nachdem er zu einem Neutronenstern kollabiert ist, einen Radius von nur etwa 10 Kilometern.
Es handelt sich bei ihm um ein extrem kleines Objekt, und was einem sofort ins Auge fällt,
ist natürlich die starke Schwerkraft, die eine solche Region im Weltraum umgibt.
Wenn das hier die Oberfläche eines Neutronensterns ist, dann haben wir hier die Fallbeschleunigung,
die ich als G-Neutron bezeichne.
Die Fallbeschleunigung ist ungefähr 10 hoch 11 Mal stärker als auf der Erde, was ganz deutlich spürbar wäre,
käme man nahe genug an den Neutronenstern heran, um Experimente durchzuführen.
Hebt man einen Gegenstand um 1 Zentimeter an und lässt ihn fallen, trifft er auf die Oberfläche des Neutronensterns hier.
Die Geschwindigkeit, die der Gegenstand aufweist, nachdem er 1 Zentimeter gefallen ist, beträgt etwa 400.000 Kilometer pro Stunde.
Ein winziger Gegenstand wie z.B. eine Feder würde Hunderte von Tonnen wiegen.
Die Effekte der Raumkrümmung, die normalerweise nur im Labor nachweisbar sind, werden hier ganz deutlich.
Sie sollten also lieber nicht auf einem Neutronenstern herumlaufen, selbst wenn er vollständig erkaltet ist,
da die Schwerkraft bewirkt, dass Sie mehrere Millionen Tonnen wiegen und sich außerdem ganz dünn auf der Oberfläche verteilen.
Vielleicht können wir aber versuchen diesen Effekten zu entkommen,
wenn wir uns in einem Raumschiff befinden, das einen Neutronenstern umkreist.
Wir gehen gewohnheitsmäßig davon aus, Astronauten seien schwerelos,
wenn sie ihrer Geodäte im vierdimensionalen Raum folgen und eine Masse umkreisen.
Nun, das ist eine Möglichkeit.
Das Raumschiff müsste einen Neutronenstern ungefähr tausend Mal pro Sekunde umkreisen, damit seine Umlaufbahn stabil bliebe.
Wir müssen aber auch die Effekte der Raumkrümmung auf den Astronauten selbst berücksichtigen.
Was wir häufig vergessen, ist, dass – nehmen wir an, wir haben hier unseren Astronauten, und er verlässt gerade das Raumschiff,
um sich umzuschauen, was er natürlich bereits während der Erdumkreisung getan hat –
was wir also nicht vergessen dürfen, ist, dass nur das Zentrum der Masse des Raumfahrers dieser schwerelosen Geodäte folgt.
Jetzt sind die Effekte der Raumkrümmung gut erkennbar,
weil die Fallbeschleunigung bei einem längeren Objekt am Kopf und an den Füßen unterschiedlich ist.
Der Effekt besteht darin, dass zwischen Ihrem Kopf und Ihren Zehen eine Kraft wirkt.
Das ist nur ein Phänomen der Raumkrümmung.
In unserem Beispiel mit dem Neutronenstern und einem typischen Vertreter der Spezies Mensch
beträgt diese Kraft etwa dreihunderttausend Tonnen.
Die Raumkrümmung ist also nicht nur ein Randeffekt, sondern außerordentlich unangenehm.
Nun, das ist natürlich alles nur Spaß, schließlich dachte man in den Anfangstagen der Neutronensternphysik,
dass möglicherweise aus dem ursprünglichen System übrig gebliebene Teilchen um den Neutronenstern kreisen.
Dies mag teilweise zu unserem Pulsierphänomen geführt haben.
Natürlich können keine größeren Bereiche mit normaler Materie in der Nähe eines Neutronensterns existieren,
da die Raumkrümmung das Material einfach durch unglaublich starke Gezeitenkräfte zermalmt.
Etwas wissenschaftlicher ausgedrückt – kann ich jetzt bitte das nächste Dia haben?
– ist der Zustand von Materie unter extremem Druck natürlich von der Festkörperphysik abgeleitet.
Festkörperphysiker sind fleißig dabei, die verschiedenen möglichen Strukturen von Neutronensternen zu erforschen.
Zwar herrscht noch viel Klärungsbedarf, doch das allgemeine Bild scheint recht eindeutig.
Wir haben eine Neutronenkugel mit einem Radius von ungefähr 10 Kilometern.
Nahe der Oberfläche ist der Gravitationsdruck natürlich noch nicht groß genug,
um das gesamte Material in eine Neutronenstruktur zu komprimieren,
und wir würden nahe der Oberfläche eine Kruste aus Fe56 – dem stabilsten bekannten Kern – vermuten.
Wir gehen also vom Vorliegen einer Eisenkruste um den Neutronenstern herum aus.
Wandern wir durch diese Kruste nach unten, kommen wir zu einer Schicht aus ursprünglich degeneriertem Material,
dessen Dichte für das Vorliegen vieler Neutronen noch nicht ausreichend hoch ist.
Wir haben hier ein sehr starres Materiegitter, das wahrscheinlich einen Schmelzpunkt von mehr als 10 hoch 10 Grad Kelvin aufweist,
ein äußerst unnachgiebiges Material aus degenerierten Elektronen,
die sich in einem starren Gitter aus positiv geladenen Kernen bewegen.
Je weiter wir nach unten wandern, auf umso mehr Neutronen treffen wir.
Die Kerne enthalten vermehrt Neutronen und werden schließlich instabil; dringt man weit genug in das Material ein,
finden sich praktisch nur noch Neutronen.
Die Eigenschaften dieses Neutronenmaterials sind interessant, da es sich bei Neutronen um so genannte Fermionen handelt;
man geht jedoch davon aus, dass sie sich bei Temperaturen unter ca. 10 hoch 9 Grad Kelvin
praktisch wie Helium bei Raumtemperatur, entschuldigen Sie, Helium nahe dem absoluten Nullpunkt verhalten.
Die Fermionen schließen sich ähnlich wie in Supraleitern paarweise zu Bosonen zusammen,
so dass eine Quantenflüssigkeit, eine Neutronenflüssigkeit entsteht,
in der die Neutronen im Wesentlichen paarweise zusammengeschlossen sind;
wir erhalten also eine Flüssigkeit, die die Quanteneigenschaften von flüssigem Helium aufweist, aber auch die enorm hohe Dichte.
Soweit verstehen wir die Struktur.
Gelangt man aber bei weiter steigendem Druck näher ans Zentrum, mehren sich die Probleme.
Wir scheinen das Potential der Neutronen wirklich noch nicht genau genug zu verstehen,
um im Detail vorhersagen zu können, was weiter innen geschieht.
Möglicherweise bilden die Neutronen selbst ein starres Gitter,
eventuell finden sich aber auch noch viel exotischere Materiezustände.
Das Pionenfeld kann stark kohärent werden, es kann ein so genanntes Pionenkondensat in diesem Bereich entstehen.
Derzeit können wir diese Möglichkeiten kaum unterscheiden,
da wir die Wechselwirkungen zwischen den Neutronen noch nicht vollständig verstehen.
Noch näher am Zentrum wird die Situation erheblich schwieriger.
In der Nähe des Zentrums eines Neutronensterns können sich Hyperonen befinden, exotische Teilchen aus der Hochenergiephysik,
deren Lebensdauer in einem irdischen Labor normalerweise zu vernachlässigen ist,
die aber im Zentrum eines Neutronenstern, eines ausreichend massereichen Neutronensterns langlebig sein können.
Der Quantenzustand dieser Teilchen ist problematisch, da sie sich in einem Maße überlappen,
dass sich die Mesonenfelder um die Elementarteilchen herum ebenfalls überlappen und gegenseitig stören;
der allgemeine Quantenzustand ist hier natürlich relativ unbekannt.
Nun, für den Moment sind die wichtigen Bestandteile eines Neutronensterns also seine starre Kruste,
die aufgrund der noch geringen Dichte des Materials recht leicht ist, und der flüssige Bereich in seinem Inneren.
Dieses Modell gilt allgemein als zutreffend.
Kann ich bitte das nächste Bild haben?
Natürlich entsteht ein Neutronenstern als echter astronomischer Körper
und wird nicht in idealer Form unter kontrollierten Bedingungen erzeugt.
So sind wir selbst im Hinblick auf seine ursprünglichen stellaren Eigenschaften im Zweifel.
Kollabiert ein Stern, dessen Eigenschaften beispielsweise denen der Sonne entsprechen,
der also ein Magnetfeld von ca. 100 Gauß bzw. 10 hoch -2 Tesla, einen Radius von 10 hoch 6 Kilometern
und eine Rotationsgeschwindigkeit von etwa einer Umdrehung pro Monat aufweist,
kollabiert also ein solcher Stern zu einer Neutronenkonfiguration, tritt wahrscheinlich kein magnetischer Streufluss auf.
In der Astrophysik ist der magnetische Fluss eine Größe, die für gewöhnlich erhalten bleibt,
so dass wir es schließlich mit einem extrem starken Magnetfeld auf der Sternenoberfläche
von vielleicht 10 hoch 8 Tesla zu tun haben.
Bleibt das Winkelmoment des Sterns auch während seines Einsturzes erhalten
und geht nicht auf die bei der Explosion herausgeschleuderten Trümmer über,
kann der Stern mit bis zu 10 hoch 4 Umdrehungen pro Sekunde rotieren.
Es sind diese Eigenschaften, die einen Neutronenstern aufrechterhalten und seinen Nachweis ermöglichen.
Da ein Neutronenstern, wie ich bereits sagte, nicht brennt, steht ihm nur die Einsturzenergie zur Verfügung,
die größtenteils in kinetische Rotationsenergie und den magnetischer Fluss umgewandelt wird.
Wir erwarten also, dass dieser Materieklumpen im Weltraum stetig abkühlt.
Verschiedene Beobachtungen legen nahe, dass dieses allgemeine Modell mehr oder weniger zutrifft.
Kann ich bitte das nächste Dia haben?
Gelegentlich beobachtet man bei bestimmten Pulsaren einen charakteristischen Sprung in der Impulsgeschwindigkeit.
Dies hier ist der berühmte Pulsar im Krebsnebel, der einzige Pulsar, der sichtbares Licht emittiert.
Und hier sehen Sie die allmähliche Verlangsamung, dargestellt als Zunahme der Periode mit der Zeit, der Kalenderzeit.
Schematisch dargestellt beobachtete man also, dass die Impulsgeschwindigkeit plötzlich einige Tage lang leicht zunimmt
und danach wieder auf den vorherigen, etwas niedrigeren Wert sinkt.
Nun, wie lässt sich dieses Phänomen verstehen?
Ich sollte betonen, dass die Darstellung auf diesem Dia stark übertrieben ist.
Wenn sich die Impulsgeschwindigkeit von vielleicht 10 hoch 8 auf 10 hoch 7 verändert,
ist dies für den Beobachter des Pulsars ein bemerkenswertes Ereignis,
da die Impulse normalerweise so regelmäßig sind, dass bereits die kleinste Veränderung ein auffälliges Phänomen darstellt.
Wie erklärt sich eine solch plötzliche Veränderung der Impulsgeschwindigkeit?
Natürlich können Sie einen Stern, der sich im Weltraum um sich selbst dreht, nicht einfach beschleunigen;
damit dieser Effekt entsteht, muss das Material in seinem Inneren in irgendeiner Form neu angeordnet sein.
Kann ich bitte das nächste Dia haben?
Das Modell, und ich sage nicht, dass es in allen Einzelheiten zutrifft,
also das Modell, mit dem man derzeit diese Phänomene zu erklären versucht, ist hier schematisch dargestellt.
Aufgrund der am Äquator nach außen gerichteten Kräfte vermutet man,
dass ein rasch rotierender Neutronenstern die Form eines abgeplatteten Rotationsellipsoids hat.
Wir haben also eine starre Materialkruste, die einen flüssigen Kern umgibt, und das Ganze rotiert als Festkörper,
wobei aber auch die Wechselwirkungen zwischen der Quantenflüssigkeit und der äußeren Kruste von Interesse sind.
Verbunden sind diese beiden Bereiche unserer Ansicht nach durch quantisierte Magnetfeldlinien,
die um den Stern verlaufen und das Drehmoment von einem Teil des Sterns auf einen anderen übertragen.
Die Übertragung des Drehmoments erfolgt wahrscheinlich
durch Streuung der wenigen übrig gebliebenen Elektronen aus diesen quantisierten Vortexlinien.
In dem Maße, wie der Stern langsamer rotiert und Energie verliert, möchte er wieder etwas mehr Kugelform annehmen.
Da die Kruste aber starr ist, ist dies nur möglich, wenn die Kruste plötzlich wie die Schale eines Eis Risse bekommt.
Je mehr die gespeicherte elastische Energie die Oberhand über die Materialstärke gewinnt,
umso häufiger treten in der Kruste Risse auf, bis der Stern plötzlich deutlich kugelförmiger ist.
Dabei rotiert die äußere Kruste etwas schneller, um ihr Winkelmoment beizubehalten,
schließlich kommt es aber doch zu einer Drehmomentkopplung zwischen dem äußeren und inneren Bereich
und der Stern rotiert wieder mit etwa der ursprünglichen Geschwindigkeit.
Da sich Effekte dieser Art nachweisen lassen, vertrauen wir darauf, dass die Festkörperphysik,
die unser Neutronensternmodell definiert hat, im Wesentlichen zutrifft.
Das Thema ist allerdings sehr komplex und ich möchte mich jetzt nicht allzu lange damit aufhalten.
Am problematischsten ist vielleicht die Tatsache, dass wir die Plasmaphysik des Raumes, der einen Pulsar umgibt,
nicht wirklich verstehen.
Wir wüssten schließlich gerne, was genau die Strahlung erzeugt, die diese Neutronensterne nachweisbar macht.
Ein schwieriges Problem, das wir bis jetzt kaum verstehen.
Kann ich bitte das nächste Dia haben?
Als Physiker drücke ich es so aus:
Natürlich müssen wir die Maxwellschen Gleichungen für den Raum um eine rotierende magnetisierte Kugel lösen.
Das Leben dieser rotierenden magnetisierten Kugel könnte ursprünglich in einem absoluten Vakuum begonnen haben.
Es ist überflüssig zu betonen, dass wir davon ausgehen, dass um einen Neutronenstern herum keine normale Atmosphäre existiert.
Da die Maßstabshöhe der Atmosphäre in dem starken Gravitationsfeld, das ich erwähnt habe,
bei einer realistischen Temperatur ca. 1 Zentimeter betragen würde, erwartet niemand wirklich eine Atmosphäre.
Man würde vielmehr vermuten, dass ein Neutronenstern praktisch von einem Vakuum umgeben ist,
wobei ein Vakuum nicht einfach elektromagnetische Strahlung erzeugt.
Diesen Stern muss also eine Art Plasma umgeben.
Diese Überlegung kann ich nur in ihren Grundzügen darlegen, da es bislang noch keine exakte Lösung für dieses Problem gibt.
In einem klassischen Experiment lässt man, natürlich im Labormaßstab, eine magnetisierte Kugel in vacuo rotieren.
Dreht sich diese Kugel bei parallel verlaufender Magnet- und Rotationsachse in einfachster Weise symmetrisch,
erzeugt sie in sich selbst Polarisationsladungen.
Diese Ladungen werden umverteilt und die Kugel ist danach von einem so genannten vierpoligen elektrostatischen Feld umgeben.
Soweit verstehen wir den Vorgang.
Wenn wir aber versuchen, diese einfache Lösung auf einen Neutronenstern anzuwenden, geraten die Zahlen etwas außer Kontrolle.
Das elektrische Feld zwischen dem Pol und dem Äquator eines Neutronensterns
wird durch Integration einer Feldstärke von vielleicht 10 hoch 14 Volt pro Meter erzeugt.
Dadurch entsteht zwischen dem Pol und dem Äquator eines Neutronenstern ein elektrisches Feld von etwa 10 hoch 11 Megavolt,
d.h. die elektrischen Effekte auf der Oberfläche des Sterns erzeugen Kräfte,
die auf alle vorhandenen geladenen Teilchen wirken und selbst die starken Gravitationsfelder,
von denen ich gesprochen habe, überwinden können.
Es kann also sein, dass Teilchen durch elektrostatische Kräfte
buchstäblich aus der Oberfläche eines Neutronensterns herausgerissen und in den Raum geschleudert werden.
Dabei entsteht die übliche astrophysikalische Situation, d.h. geladene Teilchen im Raum bewegen sich mit dem magnetischen Feld.
Es handelt sich also um ein eingefrorenes Magnetfeld, wie man es häufig antrifft.
Die geladenen Teilchen im Raum um den Neutronenstern sind im Wesentlichen an die Magnetfeldlinien gebunden und rotieren mit ihnen.
Wenn man nun versucht dieses Problem zu lösen, kann man die Gleichungen der Elektrodynamik nehmen
und die Trägheitseffekte bzw. die Masse des Systems weglassen.
Dies ist eine realistische Näherung an den Stern.
Es entsteht die Art Situation, die wir hier haben.
Man erzeugt ein Plasma um den Stern, in dem die Ladungen je nach Drehsinn praktisch in zwei Bereiche getrennt sind,
einen Bereich mit positiver Ladung nahe des Äquators und einen Bereich mit negativer Ladung um die Pole herum.
Hierbei entsteht ein Plasma, das uns nicht vertraut ist.
Wenn wir Plasma im Labor erzeugen, ist das Ladungsgleichgewicht stets perfekt oder fast perfekt.
Die Vorstellung eines Plasmas, in dem die Ladungen vollständig voneinander getrennt sind, ist für uns ungewohnt.
Wir haben also diese Atmosphäre, in der die Ladungen wie erwähnt an den Magnetfeldlinien
wie Perlen auf einer Schnur aufgereiht sind, so dass die Atmosphäre, wenn der Stern rotiert, mit ihm rotieren muss.
Bald schon taucht jedoch ein schwieriges Problem auf:
Im Falle des Neutronensterns im Krebsnebel beispielsweise trifft man
etwas mehr als eintausend Kilometer von dem Stern entfernt auf eine Region,
in der das an das Magnetfeld gebundene Material versucht, sich mit beinahe Lichtgeschwindigkeit durch den Raum zu bewegen.
Hier kommen wir in die relativistische Physik und verstehen den Sachverhalt nicht mehr so recht,
es handelt sich aber wahrscheinlich um den Effekt, der bei diesem kritischen Radius,
den wir als Lichtgeschwindigkeitszylinder bezeichnen, auftritt
und bei dem sich Material nicht länger an den Stern binden kann und aus ihm austreten muss.
Es kommt also jenseits dieses Radius zu einem Teilchenabfluss in Form eines Sternenwindes
mit vermutlich beinahe Lichtgeschwindigkeit, innerhalb dieses Radius dagegen rotiert Material mit dem Stern mit
und bildet ein geschlossenes System.
Irgendwo in diesem Modell muss die Erklärung für die Entstehung der Strahlung,
anhand deren sich diese Objekte nachweisen lassen, liegen.
Noch eines, solange wir das Dia hier haben.
Einige dieser Magnetfeldlinien – die Feldlinien, die von den Magnetpolen kommen – schneiden den Lichtgeschwindigkeitszylinder.
An dieser Stelle können Teilchen jederzeit aus dem Stern austreten,
da sie an Feldlinien aufgereiht sind, die nie wieder zu dem Stern zurückkehren.
Nahe der Pole finden sich also entlang der so genannten offenen Feldlinien austretende Teilchen,
die den Lichtgeschwindigkeitszylinder schneiden.
Sie sehen, es steht uns eine Fülle an Informationen zur Verfügung.
De facto sind es zu viele Informationen.
Die Zahl der Fakten, die es im Zusammenhang mit Pulsaren noch zu klären gilt, ist erheblich,
und ich würde Ihnen gerne einige der Eigenschaften vorstellen,
die Beobachter in dem Versuch, die Physik dieses komplizierten relativistischen Plasmas zu verstehen, beisteuern.
Kann ich bitte das nächste Dia haben?
Dies hier ist eine Zeitlupenaufnahme einer Abfolge von Impulsen des ersten entdeckten Pulsars.
Die zeitliche Größenordnung beträgt einige Zehntel Millisekunden von einer Seite zur anderen.
Sie sehen hier, absteigend angeordnet,
die aufeinander folgenden Strahlungsblitze dieses speziellen Neutronensterns sowie ihr Profil.
Es ist wie bei einem Leuchtturm, in dem sich jemand an dem Lampenmechanismus zu schaffen macht;
bei jeder Umdrehung sieht der Blitz etwas anders aus.
Die Situation kann sich also von einer Sekunde auf die andere dramatisch ändern.
Die Peaks hier in dieser Emission erinnern an eine alpine Bergkette,
und diese Art Unregelmäßigkeit ist typisch für alle Pulsare.
Kann ich bitte das nächste Dia haben?
Es lassen sich auch solche Eigenschaften wie die Polarisation der Strahlung messen,
ein wichtiges Merkmal, das sich in diesem Beispiel eines Impulses deutlich zeigt.
Sie sehen hier einen sehr schnellen Pulsar am Südhimmel.
Der Impuls dauert nur einige Millisekunden.
Hier ist die Richtung des elektrischen Vektors in dem abgestrahlten Feld dargestellt;
er weist von der Vorderkante bis zur Hinterkante des Impulses eine ganz charakteristische Rotation auf.
Die Strahlung, in diesem Fall Radiofrequenzen, ist zu ca. 100 Prozent linear polarisiert.
Das liefert uns natürlich einige deutliche Hinweise auf die Art des Strahlungsprozesses,
der in dem Plasma in der Nähe des Sterns stattfinden muss.
Die Eigenschaften von Pulsarstrahlung ändern sich so rasch,
dass Versuche unternommen wurden, den Charakter der Impulse genauer darzustellen.
Kann ich bitte das nächste Dia haben?
Dieses Schaubild zeigt in Farbe eine Abfolge von Impulsen; jeder Impuls besitzt unterschiedliche Eigenschaften.
Das Dia wurde mir von den Betreibern des großen Radioteleskops in Arecibo in the United States, Puerto Rico zugesandt.
Hier sind, in absteigender Folge, verschiedene Impulse dargestellt.
Dabei zeigt das erste Dia die Intensitätsschwankungen entsprechend einer Farbskala
mit Weiß als höchster und Violett als niedrigster Intensität; Sie sehen also praktisch das gesamte Impulsprofil.
Hier sind der Reihe nach die verschiedenen Polarisationsparameter dargestellt,
und Sie merken, die Sachlage ist höchst kompliziert.
Abgesehen von der sich verändernden Intensität und Polarisation scheinen bestimmte Eigenschaften der Strahlung zu driften,
was Sie sehr gut an dieser Strahlungsbande erkennen können.
Eine Polarisationseigenschaft, die in diesem Fall einige Millisekunden dauert, driftet über den Impuls,
wie wenn jemand im Leuchtturm etwas über die den Strahl erzeugende Linse bewegt.
Das Phänomen ist bekannt, es taucht in zahlreichen Beispielen auf und wird als Phänomen der driftenden Unterpulse bezeichnet.
Wir verstehen all dies überhaupt nicht und können bezüglich der zutreffenden Erklärung nur raten.
Zum Schluss möchte ich noch ganz kurz das Modell ansprechen, an dem Astrophysiker aktuell arbeiten.
Kann ich bitte das nächste Dia haben?
Das Modell, das einen Großteil der Beobachtungsdaten zu integrieren scheint,
ist ein Neutronenstern mit einer vertikalen Rotationsachse und einer geneigten Magnetachse.
Bei Rotation dieses Systems entspricht der Gesamtcharakter des Plasmas um den Stern herum
im Wesentlichen dem zuvor in meiner vereinfachten Skizze dargestellten.
Natürlich existiert jetzt ein mit der Rotationsgeschwindigkeit des Pulsars fluktuierendes Magnetfeld,
was zusätzliche Komplikationen zur Folge hat.
Entsprechend diesem Modell haben wir geladene Teilchen, die entlang der Feldlinien, die ins Unendliche führen können, austreten.
Diese Teilchen können also den Stern insgesamt verlassen.
Würde man einen Mechanismus zur Erzeugung von Teilchenbündeln entdecken,
würden diese Teilchenbündel bei Beschleunigung nach außen entlang dieses gekrümmten Magnetfeldes
in der Nähe des Magnetpols des Sterns Strahlung erzeugen, die der Synchrotronstrahlung ähnelt,
die uns von den hochenergetischen Teilchenstrahlen her vertraut ist.
Diese Strahlung würde entlang der allgemeinen Richtung der Magnetachse verlaufen,
was zu den Arten von Impulsformen führen könnte, die wir de facto beobachten.
Um derartige Szenarien zu entwerfen ist viel Phantasie notwendig, und wir müssen im Detail erforschen,
warum die elektrischen Ladungen gebündelt werden müssen und wie viele dieser Bündel
für die Erzeugung der Strahlungsfelder nötig sind.
Derartige Berechnungen sind relativ einfach.
Zu klären ist auch, ob die Strahlung die richtige Polarisation aufweist.
Die synchrotron-artige Strahlung besitzt nachweislich den Polarisationssinn,
mit dem sich der driftende Polarisationswinkel, den ich zuvor erwähnt habe, erklären lässt.
Eine Anordnung, in der sich Elektronen äußerst kohärent bewegen, z.B. in einem Radiotransmitter,
eine derartige Anordnung ist für die Erklärung unserer Strahlung entscheidend.
Wie ich bereits gesagt habe verbrennen Pulsare keinerlei Brennstoff, sie sind wie ein elektrischer Dynamo im Leerlauf,
und die Strahlung, die sie emittieren, muss aus rein elektrodynamischen Vorgängen stammen.
Kann ich bitte das letzte Dia haben?
Theorien tendieren oftmals zur Exotik; derzeit kursiert beispielsweise die exotische Vorstellung,
dass vielleicht ein Prozess existiert, in dem Elektron/Positron-Paare erzeugt werden,
und dieser Prozess in der Nähe des Magnetpols des Sterns stattfindet.
Eine solche Situation sähe dann folgendermaßen aus:
Der Stern rotiert um eine vertikale Achse und geladene Teilchen in der Magnetosphäre treten an Stellen,
wo dies möglich ist, aus der Polarkappenregion aus.
Vielleicht treten diese Teilchen mit einer Geschwindigkeit aus,
die von den nachfließenden Teilchen unterhalb des Sterns kaum aufrechtzuhalten ist.
Gerne würde ich hierauf noch näher eingehen, aber ich möchte nicht zu weit vom eigentlichen Thema dieses Vortrags abschweifen.
Möglicherweise besteht demnach ein Beinahe-Vakuum ohne Ladung und weiter oben treten Ladungen aus.
In diesem Fall baut sich über dieser Lücke die zwischen dem Pol und dem Äquator des Sterns herrschende Spannung auf,
die wie vorhin erwähnt 10 hoch 10, 10 hoch 11 Megavolt betragen kann.
Hier existiert also ein sehr starkes Feld.
Ein Streupartikel in diesem Feld wird rasch auf relativistische Geschwindigkeit beschleunigt und emittiert Gammastrahlung,
die in dem hier herrschenden starken Magnetfeld Positron/Elektron-Paare erzeugen kann.