Antony Hewish (1976) - Extreme Physics in the Sky

When the Nobel Prizes started to be given at the beginning of the 20th Century, there were a number of procedural questions still open

Ladies and gentlemen It seems to me that there are 2 major frontiers, major barriers to our understanding of physics at the present time. One of these occurs on the sub microscopic scale and we can refer to this as the inner space of fundamental particle physics. This region we can study in the laboratory using high energy particle accelerators, although the techniques are becoming ever more complex and costly. The other frontier occurs at the other end of the scale of length. It occurs in outer space and concerns the large scale physics. Such problems as the very origins of space and time themselves, the life history of galaxies, the evolution of the universe. This region cannot be studied in the laboratory. We have to extend physics beyond the walls of terrestrial laboratories and we have simply to observe the inter play of phenomena on a cosmic scale. The disadvantage of this is that we cannot of course arrange our experiments as in a laboratory. We cannot adjust the conditions. This is the major disadvantage. On the other hand the advantage is that we have at our disposal a range of parameters far beyond anything which can be achieved here on earth. So our problem is to extend physics in this indirect fashion and to extrapolate what we know in the laboratory to the limits of space and time. Many phenomena occur which are quite different from anything we have previously understood. The effects of curvature of space time, in general relativity, predicted by Einstein, are just detectable with the best modern techniques in our own laboratories. The effects of space curvature can become quite dominant when we examine nature on a large distance scale. Space and time can, given the concentrations of mass one finds in outer space, close up. We can create bubbles in space time which are regions in which phenomena are completely removed from our own universe. There is an event horizon. I refer of course to what we popularly know as black holes. Recently there have been very exciting advances in this field. There has been made a connection between quantum electrodynamics and general relativity, which seem to me to be a close parallel to the advance we heard about from the lips of its inventor, Professor Dirac, when he connected quantum theory with the more limited special relativity of Einstein. We know what advances followed from that link. And it seems to me that corresponding advances in the understanding of the large scale universe may follow from the link between quantum physics and general relativity, which is now being made by such scientists as Stephen Hawking. These are features of large scale physics which I’m sure will be most fruitful and we shall be hearing much about these in the years to come. However in my talk today I wish to be more humble and to consider problems involved, when matter reaches conditions under compression which make it far different from the matter we know in the laboratory. Cosmic forces, the gravitation one can achieve inside massive stars is sufficient to compress material until atoms, the simple atoms are literally crushed out of existence and we achieve a new state of matter in which the density can reach values as large as one thousand million tons per cubic centimetre. The possibility of condensed matter in this state was first considered as early as 1932. Soon after the discovery of the neutron particle by Chadwick. To my understanding the first discussion was made in Copenhagen, when news of this discovery reached the Russian scientist who was there at the time, Landau, and Landau first proposed condensed matter of this kind in a discussion with Niels Bohr and Rosenfeld. However it was some years later, that the possibility was extended and the astronomers Baade and Zwicky predicted that perhaps one would find matter of this sort in space in the debris left behind from the explosion of a supernova. Theorists attempted to construct models of what a star would be like, if atoms were crushed out of existence and we had what was essentially a ball of material in which the density approximates that of the atomic nucleus. These models were discussed in the 1930’s by such scientists as Oppenheimer, Volkoff, but I think the subject really was of academic interest until quite recently, because there was no evidence that such material really did exist. The first evidence that stars of this kind could occur was obtained when we made the discovery of pulsars in Cambridge in 1967. Now just to remind you of the basic features, which lead us to the conclusion that matter of this enormous density is a reality, I should just like to run over the basic evidence which the pulsars give us. May I have the first slide please? The pulsar, the phenomenon, as you all know is that one receives in the radiation at radio wavelengths, with the radio telescope, one can receive from certain objects in space a regular succession of pulses as you see displayed there. Radiation of this kind was of course totally unpredicted and it seemed at first very strange that there should be objects in the sky which produce radiation in a very regular succession of pulses – typically one second apart and of duration a few hundreds of a second. The remarkable feature of these sources, which was realised very quickly, was the incredible accuracy with which these pulses are maintained. Careful measurements show that in all cases, except perhaps 1 or 2, where the extent of the effect is not large enough to detect. In almost all cases one can measure a slowing down in time of the pulse rate. It takes generally a long time for anything noticeable to happen, but if you were to wait in the case of this source I display on the slide, if you were to wait approximately one hundred million years and make observations again, the pulse rate would be roughly half what it is today. Now, in most cases one detects these strange objects with radio telescopes but there is one example, a famous example, where a pulsar can actually be seen, and I would just like to show you that, because after all seeing is believing. May I have the next slide? This object that you see is one of the most famous supernovae known to astronomers. What you see is the remains of a star which has exploded and that explosion was witnessed by Chinese astronomers. It was witnessed and documented in the year 1054, when the star was visible in broad daylight. What we see now is an expanding cloud and the object of interest is this star here. Near the centre of the nebula is a pair of stars and it is the bottom right hand star which is the pulsar. That star has been known for many years to astronomers, but only after the pulsar discovery was it realised that this star here is flashing its light with great regularity at a rate of 30 cycles per second. If one puts a stroboscope inside a telescope, one can display this effect and - may I have the next slide – with a stroboscopic technique, this is an enlarged picture, these are the 2 stars at the centre of the nebular here. The bottom right hand star is the pulsar and we see here one frame, another frame taken a few milliseconds later. This star here has totally vanished. Its radiation is completely extinguished. So that star is, we know, flashing at a rate of approximately 30 flashes per second. Now how does one account in broad terms for this phenomenon. Well, in the early days, and I won’t bore you with early theories, there were many ideas. But now the only theory which has stood the test of time, is that this radiation can only be explained if we have a star which is really acting like a lighthouse beacon. A star which is rotating rapidly on its axis and producing a well defined beam of radiation. May I have the next slide please? The type of phenomenon, which we believe accounts best for the pulses, is a situation perhaps like this: you have some star which produces a well defined beam of radiation. That beam as the star rotates, circulates around the celestial sphere and any observer who lies in the right belt of latitude with respect to that star, will observe a flash each time the star rotates. This is a rather simplified model: It is probably more realistic to suppose that the star really is producing a beam along some axis which perhaps does not coincide with the rotation axis, and that beam produces flashes for any observer in 2 regions of space. Now the basic problem is to find some star, which can spin sufficiently fast to account for the observed flashes. This is the fundamental problem. And the difficulty is to find a star which will hold itself together at the enormous rate of rotation which this phenomenon demands. All stars are bound by gravitational forces and if you spin a star on its axis too fast, then it simply flies to pieces like an exploding fly wheel. And until the pulsar discovery, the most compact star known to astronomers was the white dwarf star: That’s a star approximately as large as the earth. And stars of such matter, stars of such a kind can rotate once every few seconds without disrupting. But they cannot spin fast enough to account for the most rapid pulsars that we observe. The only possible candidate is a star in which one finds matter in the neutron state, which I shall be discussing, and such a star can spin at any speed up to several thousand revolutions per second. The gravitation is sufficiently strong to hold it together, and that is the only known star, theoretical star, which could produce the pulsar phenomenon. Well there is much evidence, and I won’t go into this in detail, there is much evidence to confirm this conclusion which was reached, it was indeed suggested in the pulse, when the pulsar discovery was made, that such a star was responsible. But there were many other possibilities, too. The conclusion that the star must be a neutron star was confirmed within roughly 2 years of the discovery, and this theory is now generally accepted. I want you to understand something about this strange behaviour of matter, when it reaches the densities one finds in a neutron star. And to do this I would like to come back to some elementary physics, because the properties of matter under extreme compression can really be predicted with some precision from what we already know of the behaviour of fundamental particles. May I have the next slide? I have sketched on this slide very schematically the behaviour of matter, common matter under compression. And we start with matter as we know it, perhaps a lump of iron or something of that kind. And on a simple model we know that atoms are composed of a nucleus, of heavy particles at the centre, and we have electrons moving in the region surrounding that nucleus, moving under the laws of quantum mechanics. This phenomenon is well known to radio astronomers: It is the kind of difficulty we have in our experiments, and that noise I have frequently heard on a radio telescope. And it can come from agricultural machinery at a distance of 20 miles. To return to common matter. The distance at which one finds electrons from the nucleus is determined by the most elementary property of fundamental particles, that particles need to be associated with a quantum wavelength. And in the very first suggestion by de Broglie, of course we remember that the quantum wavelength depends upon the speed at which the particle is moving. The wavelength of a particle is determined by Planck’s constant divided by the momentum of the particle. Now in ordinary matter the electrons are at a distance roughly speaking of one angstrom from the nucleus, and this defines the density of common material around us in the world. The atoms in a solid are roughly as close together as the electron orbits will permit. And it is the value of Planck´s constant which essentially determines the state of matter as we see it around us. It is perhaps hard to believe that the common matter is virtually empty space. There is an enormous amount of empty space within an atom, because the fundamental particles are a great distance apart. Now what happens when we put such matter under some compression and force it together? These experiments one can only do on a very small scale in a terrestrial laboratory. But if you allow cosmical forces to apply an ever increasing pressure to ordinary material, one can bring about some remarkable changes. As you squeeze the atoms together, then of course the electrons have less space in which to move. And from quantum mechanics we see that we have to shorten the wavelength of those particles to fit them into the available space. And as we shorten the wavelength we must increase the velocity of the particles. That is the elementary fact of quantum mechanics. So as we squeeze these atoms together the electrons will move faster. If we squeeze the matter until it has a density, which we can never achieve in the laboratory, but say a density of 1 ton per cubic centimetre, at that density the electrons require such a small wavelength to fit into the available space, that they’re moving so fast and that they are no longer trapped in orbit about a particular nuclei. The electrons move freely amongst the nuclei. All the electrons in any atom one can consider, they are dissociated from one particular nucleus. This state of matter we call degenerate matter. A few electrons, degenerate electrons, we understand in the physics of ordinary metals. But under this compression all the electrons will become degenerate, and when matter has reached a density of one million tons per cubic centimetre, then we have the state in which all the electrons move freely through the material. Now, the electrons need to move very fast to do this. The electrons have speeds which are approaching the velocity of light itself. And if we compress the material still further, then a remarkable change takes place. The matter here is largely composed of positive and negative charged particles, with of course some neutrons present also. The fundamental particle, the neutron, is basically composed of, in a simple model, a proton and an electron with opposite charges. When one creates free neutrons in a reactor such as the reactor we heard about at Grenoble earlier this week, when one creates neutrons in a reactor, the normal condition is that that neutron will rapidly change within a few minutes into 2 charged particles. The proton and the electron, plus other particles to maintain the balance. This lifetime as I say is short, a few minutes only. But in matter which is sufficiently compressed, it is energetically more favourable for protons and electrons to combine to form neutrons. In other words, the reaction proceeds from left to right. Nature always chooses, if it can, a state of minimum energy and it is not difficult to calculate that the energy of compressed material is less when you combine the protons and the electrons into neutron particles. This is because the high energy that you require to fit electrons into a small volume, causes the energy on this side to be greater than the energy on this side, unless you have the conversion of protons and electrons to neutrons. So progressive compression of this material will eventually lead you to an equilibrium state in which matter contains mainly stable neutrons. Always of course one has a fraction of charged particles present, but that fraction will be small in general. Now, the neutron material has a density which is approximately that of the atomic nucleus. And so we reach finally a density of one hundred or perhaps even a thousand million tons per cubic centimetre. And that is the density of this material. We find it hard to visualise this number. Physicists are quite happy to juggle large numbers and of course they don’t usually try to imagine what the numbers mean. It’s not a sensible physical thing to do, but in explanations one likes to know roughly how big things are. And I can only say that, if one had a spoonful of neutron star material, a spoonful of neutron material of this kind, would contain enough matter to build all the ships that are currently sailing the ocean. Now this is elementary physics essentially, and is the result of an idealised experiment, where we might just simply compress material on a laboratory bench. Now we witness phenomena of this kind, when we look into the sky. This basic physics has great relevance to the evolution and the life cycle of common stars. May I have the next slide please? In a slightly over-simplified way one can sketch quickly what is likely to happen to most of the stars that we see in the sky. If we take a common star, like the sun, which is sketched at the top here, any reasonably small star is of course a nuclear fusion reactor in which we are fusing the simple nuclei to more complex ones with the release of energy. The star has the size we see, because it is a balance between the pressure generated inside by the fusion reaction, which tends to expand the star, and the force of gravity, which tends to compress the star. So a star is a battle ground between the outward pressure and the inward force of gravity. And that determines the size at which we see it. As the reaction proceeds and the fuel is depleted eventually we are left with the ashes of the nuclear fusion process. And the force of gravity will then squash the star irrevocably and we end up, in the case of a light star, with a small object in which we have degenerate matter with a density of about one ton per cubic centimetre and this is the white dwarf star. And we see many such stars in the heavens. But if the star is heavier to begin with than the sun, we cannot have such a peaceful passage to old age and retirement. In the case of a heavy star, what happens is that within the interior, where of course the action takes place, as the fuel is depleted and gravity compresses it, we can have that conversion of electrons and protons into neutrons. When this takes place we remove suddenly the cause of the pressure within the star, which maintains it at its equilibrium size. So it is rather like having a balloon and pricking it with a pin in the case of a heavy star. As the conversion to neutrons takes place, there is a dramatic decrease of internal pressure and the inside of the star can simply collapse rather suddenly. It collapses from the size of a white dwarf to something much smaller in a time of the order of 1 second or less. So the final evolution of a star can be quite dramatic. The collapsing fusion products will only reach equilibrium, when the material has become almost pure neutrons at a density of 1 thousand million tons per cubic centimetre. In that condition it occupies only a small volume, very close to the centre of the star, and since the material has really fallen from the edge of a star to the centre, it is moving very fast under the scale of the collapsing core in a star of the size, say 10 times as massive as the sun. The collapsing material is falling inwards at nearly the velocity of light. And when it collides, as it were at the centre here, the situation can be quite complex but there is an enormous release of energy, and of course that generates a shock wave which propagates outwards from the centre and will blow off into space the remaining material, which has not yet had sufficient time to collapse. Now this is believed, in very brief outline, to be the theory behind exploding stars: the supernova process. So we expect neutron material to be left behind at the centre of a stellar explosion. That’s one possible end to a fairly massive star. Stars that are heavier still can have even more dramatic evolutionary cycles and finally can collapse into these bubbles of space time that I mentioned, the black holes of general relativity. But in that case the star would collapse until it disappeared from view entirely and it is only some quantum effect of the type, which is now being considered, which I mentioned, which can save matter from collapsing to zero volume. This is a region of physics which is not yet well understood. This however is where we are concerned at present. We expect to find a neutron star. Neutron material left at the centre of a stellar explosion and you can regard this ball of neutrons as the ashes of one type of stellar evolution. The material will be completely inert and it will simply retain the physical properties, which it had at the moment of formation. But there is nothing left there to burn any longer. There is no possibility of further fusion reactions. Well, we can imagine what a cold neutron star might be like. May I have the lights for a moment. If we take a neutron star containing roughly the mass of a body as large as the sun, then when it collapses to the neutron star configuration it will have a radius of some 10 kilometres only. It will be an extremely small object and the most dramatic feature that one first considers is of course the intense gravitation which will surround such a region of space. If that represents the surface of a neutron star, then we have the gravitational acceleration, which I’ll call G neutron. The gravitational acceleration is approximately 10 to the 11 times stronger than the gravitational acceleration at the earth. This would be very noticeable if one got close enough to the neutron star to make experiments. If you lift an object through a height of 1 centimetre and allow it to fall, then it will reach the surface of the neutron star here. The velocity after falling1 centimetre is going to be something like 400.000 kilometres per hour. The weight of a tiny object like a feather would be hundreds of tons. The effects of space curvature, which are normally only just detectable in the laboratory, become quite prominent. It’s not of course very safe to walk about on a neutron star, even if it’s totally cold, because the gravitation will cause your weight to be several millions of tons. And so of course you’ll spread very thinly over the surface. But we can perhaps attempt to escape such effects by being in orbit in a space craft around a neutron star. We customarily consider astronauts as weightless, when they are following their geodesic in 4-dimensional space, and are in orbit about some mass. Well, this is a possibility. The space craft would have to orbit a neutron star roughly one thousand times a second in order to maintain a stable orbit. But we can also consider the effects of space curvature on the astronaut himself. The fact we tend to forget is that, suppose we have our astronaut here, supposing he’s just got outside his spacecraft to look around, as of course has been done already in orbit around the earth, what we have to remember is that it is only the centre of mass of the spaceman which follows this weightless geodesic. Now the effects of space curvature are quite noticeable, because in an extended object there is a different gravitational acceleration at your head and at your feet. And the effect of this is to put a force between your head and your toes. This is just one phenomenon of space curvature. And in the particular example of a neutron star and a typical specimen of humanity here, then this force is something like three hundred thousand tons. So space curvature becomes not a marginal effect but extremely unpleasant. Well, I’m not joking entirely here, because in the early days of neutron star physics it was considered that there might be remnant particles of the original system in orbit about the neutron star. And this might have led to some of our pulsing phenomenon. It is not of course possible to have large regions of ordinary material anywhere near a neutron star. Space curvature simply disrupts the material by immensely strong tidal forces. Well, on a slightly more scientific level - may I have the next slide please now? The state of matter under extreme compression is of course an extrapolation of the field of solid state physics. And solid state physicists have been very busy in attempting to work out all the possibilities of the structure of neutron stars. There’s still much to be learned here but the general picture seems fairly clear. We have a ball of neutrons which is roughly 10 kilometres in radius. But of course near the surface the gravitational compression is not yet strong enough to compress all the material into the neutron configuration and we would expect near the surface a shell of the most stable nucleus known, which is FE56. We expect therefore a skin of iron around the neutron star. As we descend through that skin we come then to a shell of initially degenerate material, where the density is still not high enough for many neutrons to be present. We have a very rigid lattice of material here with probably a melting point of greater than 10 to the 10 degrees Kelvin. A very rigid material of degenerate electrons flowing between a rigid lattice of positively charged nuclei. As we descend lower down, more and more neutrons are formed. The nuclei become neutron rich, the nuclei eventually become unstable and as one proceeds far enough down into the material, one then reaches virtually pure neutrons. The properties of this neutron material are interesting, because neutrons are particles we call fermions, but it is believed that they will behave at any temperature below roughly 10 to the 9 degrees Kelvin, very much, like helium at room temperature, I’m sorry, helium near the absolute zero of temperature. The fermions will pair up to form bosons in much the same way as in super conductors, and we shall get a quantum fluid, a neutron fluid in which the neutrons have essentially paired, and we get then a liquid which has the quantum properties of liquid helium. But it does have also the enormously high density. Now that is generally understood. As one goes further into the centre and the pressure rises, the problems multiply. We do not really seem to understand yet the potential, the neutron potential sufficiently well to predict in detail what is going to happen further in. There is the possibility that the neutrons themselves form a rigid lattice. There is the possibility also that rather more exotic states of matter are found. The pion field can become highly coherent. One can have what is called a pion condensate in this region here. But these possibilities at the moment one can barely distinguish, because one doesn’t understand fully the neutron interaction. Nearer the centre one gets graver problems. Hyperons may be long lived particles near the centre of a neutron star, these are of course the exotic particles of high energy physics, which normally last a negligible time in a terrestrial laboratory. It is conceivable that they would be long lived particles at the centre of a neutron star, a sufficiently massive neutron star. The quantum state of these particles is problematic, because they are overlapping to such an extent that the meson fields surrounding the fundamental particles are overlapping and interfering and the general quantum state of such a situation of course is quite unknown. Well, for the moment then the important parts of a neutron star are its rigid shell, which is fairly light, because the material is not yet too dense, and then the liquid region inside, and this model is generally believed to be correct. May I have the next picture please? Now, of course, a neutron star is formed for a real astronomical body and it is not made ideally under controlled conditions in the lab. So it is endowed already with stellar properties, which it had originally. And if we collapse a star, say with properties something like the sun, where we have a magnetic field of roughly say 100 gauss, 10 to the minus 2 tesla, radius of 10 to the 6 kilometres and a rotation rate of roughly 1 revolution per month, if we collapse such a star to the neutron configuration, then it is probable that there will be no leakage of flux. The magnetic flux in astrophysics is a quantity which is usually conserved so that we shall arrive finally with an extremely powerful magnetic field at the surface of the star. Perhaps 10 to the 8 tesla. And if the star maintains also its angular momentum, if that is conserved in the collapse and not given to escaping debris from the explosion, then the star can be spinning at up to 10 to the 4 revolutions per second. These are the properties which must maintain a neutron star and make it detectable. Because, as I said earlier, a neutron star is not burning, it is only endowed with the energy of collapse, which his largely turned into rotational kinetic energy and its magnetic flux. So we expect this lump of matter to cool down steadily in space. Well, there is some evidence that this general model is more or less correct from observation. May I have the next slide please? Occasionally one observes in certain pulsars that the rate of the pulses shows a characteristic jump. This is the famous pulsar in the crab nebula, the only pulsar to emit visible light. And here you see the steady slowing down represented as an increase of period with time, calendar time. Well, schematically what has been observed, is this type of phenomenon where the pulse rate suddenly shows a small increase over a few days and then relaxes to its previous slightly slower value. Now how does one understand this kind of phenomenon? I should emphasise that this is grossly exaggerated on the slide. When the pulse rate changes by perhaps 1 part in 10 to the 8, this is a notable event for pulsar observers. The pulses are normally so regular that the slightest change becomes a noticeable phenomenon. How does one explain a sudden change in the pulse rate like this? Well, clearly you can’t suddenly speed up a star which is spinning on its own in space, there must be some rearrangement of the material within it to cause this effect. May I have the next slide? The type of model, and I’m not saying this is exactly correct, but the type of model that’s being put forward to account for these phenomena is sketched schematically here. When the neutron star is spinning rapidly, you expect it to be an oblate spheroid, because of the outward forces at the equator. So you have a rigid shell of material surrounding a liquid core, and the whole thing will be spinning as a solid body, although the interaction between the quantum fluid and the outer crust is of some interest. The linkage here is via, we believe quantised magnetic field lines, which thread the star and transfer momentum from one part of the star to another. The momentum transfer probably takes place by the scattering of electrons, the residual few, small percentage of electrons from this quantised vortex field lines. As the star spins more slowly, when it loses energy, it wants to revert to a more spherical shape and since the crust is rigid, it can only do this, when the crust suddenly cracks like the shell of an egg. So progressively from time to time, as the stored elastic energy overcomes the strength of the material, then the crust will crack and suddenly become more spherical. And when it does this, the outer crust will spin a little faster to conserve its angular momentum, but finally there will be a coupling of momentum between the outside and the inside, and the star will spin again at approximately its original speed. Well, effects of this kind are detectable and give us some confidence that the solid state physics, which has defined our model of a neutron star is mainly correct. But this is a complex subject and I cannot spend too long on it. Perhaps the most serious problems are, that we don’t really understand the plasma physics of the space surrounding a pulsar. It would be nice to know, after all, what it is that generates the radiation that makes these neutron stars detectable. And this is a major problem which we as yet, about which we understand very little. Could I have the next slide? Speaking as a physicists, what we need to do of course is to solve Maxwell’s equations around a rotating magnetised sphere. And that rotating magnetised sphere might initially have commenced its life in a total vacuum. It scarcely needs to be stressed that a normal atmosphere surrounding a neutron star one would expect to be non existent. The scale height of the atmosphere in the intense gravitational field that I have mentioned, would be roughly 1 centimetre for some reasonable temperature, so that one really expects no atmosphere. One would expect a neutron star to be surrounded virtually by a vacuum. But a vacuum does not generate electromagnetic radiation very easily, and we must have some type of plasma surrounding this star. Well, the basic ideas I can only sketch, because as yet there is no exact solution to this problem. When one spins a magnetised sphere in vacuo, that of course on a laboratory scale is a purely classical experiment. The magnetised sphere, if it is spun in the simplest symmetrical fashion with the magnetic axis aligned with the rotation axis, will generate polarisation charges within itself, and charge will redistribute and the sphere will be surrounded by what we call a quadruple electrostatic field. That is well understood. But when we try to extend the simple solution to a neutron star, the numbers get slightly out of control. The electric field between the pole and the equator of a neutron star is obtained by integrating a field strength of perhaps 10 to the 14 volts per metre. One can then have something like 10 to the 11 megavolts electric field between the pole and the equator of a neutron star. And this means that the surface electric effects at the star will produce forces on any charged particles one has, which can exceed even the immense gravitational fields which I’ve discussed. So the possibility is that particles are literally wrenched from the surface of a neutron star, and flung into space by electrostatic forces. When this happens one runs into the usual astrophysical situation, which is that charged particles in space tend to move with the magnetic field. The situation of the frozen in magnetic field which one so frequently finds. So that charged particles which are in space surrounding the neutron star are essentially tied to the magnetic field lines and will spin with it. Now if one attempts to solve this problem, one can write down the equations of electrodynamics and leave out of the equations any effects of the inertia, or the mass of the system. This is a reasonable approximation close to the star, and one results with the sort of situation I have here, one generates a plasma surrounding the star in which the charges are virtually separated into 2 regions depending on the sense of rotation. One can have a region of positive charge near the equator. One can have a region of negative charge around the poles. And this generates a plasma with which we’re not familiar. When we create plasma in the laboratory, the charge balance is always perfect or nearly perfect. The idea of a plasma in which the charges are completely separated is rather unusual to us. Well, we have this atmosphere in which the charges as I mentioned are, as it were tied down to the magnetic field like beads on a wire, and as the star rotates the atmosphere must rotate with it. But one soon reaches a grave problem, because in the case for example of the neutron star in the crab nebular, at something over one thousand kilometres from the star, one reaches a region where the material tied to the magnetic field is trying to sweep through space at the speed approaching velocity of light. Now this runs into relativistic physics and the situation is not understood, but probably the kind of effect that happens is that at this critical radius, which we call the velocity of light cylinder, material can no longer be tied to the star and must escape. So one probably has an efflux of particles as a stellar wind probably at a speed close to the velocity of light, beyond that distance, and within that distance one has material which co-rotates, spins with the star and forms a closed system. Well, somehow within this type of model we have to explain the generation of the radiation, which makes these objects detectable. Just one feature while we have the slide present. Some of these magnetic field lines intersect the velocity of light cylinder and they are the field lines which come from the magnetic poles. From here particles can always escape from the star because they are threaded on lines which never return to the star. So near the poles one can have escaping particles along these so called open field lines, which intersect the velocity of light cylinder. Now we have a wealth of information available. In fact we have too much information available. There are too many facts about pulsars to be explained and I would just like to show you some of the features which observers can feed in to this situation in an attempt to understand the physics of this complicated relativistic plasma. May I have the next slide? This is an expanded version in time of a succession of pulses from the first pulsar to be discovered. The time scale here is some 10’s of milliseconds from one side to the other and you see successive flashes of radiation are displayed one beneath the other, and you see the profile of the flash of radiation from this particular neutron star. It is like a lighthouse in which somebody is tampering with the mechanism. Each time it goes around one gets a flash of slightly different character. And the situation can change dramatically from one second to another second. These peaks here in the emission are reminiscent of an alpine range and this kind of irregularity is typical of all pulsars. Could I have the next slide please? One can measure also such features as the polarisation of the radiation and an important feature, which shows up clearly in this example of a pulse. Here you see a very rapid pulsar in the southern skies. The total pulse lasts a few milliseconds only. And here is shown the direction of the electric vector in the radiated field, and from the leading edge of the pulse to the trailing edge it shows a very characteristic rotation. The radiation in this case at radio frequencies is approximately 100% linearly polarised. And that of course gives us some strong clues as to the kind of radiation process, which must be taking place in the plasma close to the star. The properties of pulsar radiation change so quickly, that attempts have been made to display in a more elaborate way the character of the pulses. May I have the next slide please? Here you see a plot in colour of a succession of pulses, and one is displaying different characteristics. This slide was sent to me by the operators of the large radio telescope at Arecibo in the United States, Puerto Rico. And here is a sample of pulses, one under the other, and the first slide shows you how the intensity varies. The intensity is adjusted on a colour scale there with white being most intense and violet least intense, so that this is essentially the pulse profile measured across here. You then get various polarisation parameters plotted out successively and you can see that it really is a very complicated situation. Apart from the changing intensity and polarisation, there are features in the radiation which appear to drift. It shows up quite nicely on this band of radiation here. A polarisation feature, which in this case lasts a few milliseconds, drifts across the pulse as if it were somebody in the lighthouse moving something across the lens which is forming the beam. This phenomenon is well known, it occurs in many examples and is called the phenomenon of drifting sub pulse features. Well, we do not understand these at all. All we can do is make some guesses as to the correct explanation. And to finish I will just mention very briefly the kind of model on which astrophysicists are currently working. May I have the next slide please? The type of model which appears to fit a fair quantity of observational data is that we have a neutron star with a rotation axis which is vertical, and a magnetic axis, which is oblique. As one rotates this system, then the overall character of the plasma surrounding the star will be much the same as in my simplified sketch earlier. But of course one has now a fluctuating magnetic field, fluctuating at the rotation rate of the pulsar and this adds further complications. But the kind of model, which seems to fit the observation, is that we have charged particles escaping along the field lines which can reach to infinity. So those particles can escape from the star altogether. And if some mechanism can be found to create particles in bunches, then as they accelerate outwards along this curving magnetic field near the pole, magnetic pole of the star, they will launch radiation which is akin to the synchrotron radiation one is very familiar with in high energy particle beams. This will generate radiation which points, beams of radiation which point, along the general direction of the magnetic axis and this can lead to the kind of pulse shapes, which we certainly observe. But pictures of this kind are drawn with much imagination and what we have to do is work out in some detail why the electric charges should be bunched, and just how many one needs, of course, to make the radiation fields. These sort of calculations are fairly straightforward. And whether the radiation has the right polarisation. It turns out that this synchrotron type radiation does have the sense of polarisation to account for the drifting angle of polarisation, which I mentioned earlier. But some arrangement, where electrons move extremely coherently, as in a radio transmitter, some arrangement of that kind is essential to explain our radiation. As I said earlier, pulsars are not burning any fuel, they are as it were a freely running electrical dynamo and the radiation they emit must come from purely electrodynamic processes. May I have the last slide please? Theories as always tend to become exotic and the kind of exotic idea which is being mentioned now is that one perhaps has a pair creation process, electron, positron pairs - this process occurring near the magnetic pole of a star. The sort of situation would be as follows: the star is rotating about a vertical axis and charged particles in the magnetosphere are escaping from the polar cap region where such escape is possible. The escaping particles can perhaps leave at a rate which is not easily maintained by a flux of further particles from beneath the star. That is a statement which I could amplify, but unfortunately it would take us too far from the general scope of this lecture. But one might end with a near vacuum with zero charge and escaping charges higher up. In this case one will build up across this gap the voltage which occurs between the pole and the equator of the star which as I mentioned can be something like 10 to the 10, 10 to the 11 megavolts. A very powerful field exists here Well, a stray particle in that field will be accelerated rapidly to relativistic speed, it will emit gamma radiation and in the powerful magnetic field that exists here, that gamma radiation can create positron electron pairs.

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 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. 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? 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.

Antony Hewish (1976)

Extreme Physics in the Sky

Antony Hewish (1976)

Extreme Physics in the Sky

Comment

When the Nobel Prizes started to be given at the beginning of the 20th Century, there were a number of procedural questions still open. One of the questions generated considerable discussion within the Royal Swedish Academy of Sciences, namely the question if discoveries or inventions in astronomy could be rewarded with the Nobel Prize in physics. The outcome of the discussions was a working rule saying that this could be the case only if the discoveries or inventions were important for physics. The prize to Hewish and Ryle in 1974 was the first one to be given in astronomy and it is interesting to note that the Academy uses the term “radio astrophysics” instead of “radio astronomy”. In his talk at Lindau, which was also his first, Hewish picks up this physics thread and stresses the fact that observations of the Universe may give insight into physics under extreme conditions that could never be obtained in the laboratory. In particular, the gravitational forces in space may compress matter to extreme densities, thus forming strange objects such as the “bubbles in space-time” that we today call black holes. The discovery in which Hewish played a decisive role was made in 1967 and consisted in the finding of a new kind of stellar object, later given the name pulsar. The observation finger-print consists of a regular and rapid succession of very short radio signals. The discovery eventually led to the understanding that matter may be compressed to such an extent that the electrons and protons of the ordinary atoms recombine to form neutrons. This may happen as the result of a supernova explosion and leaves a rapidly spinning neutron star behind, acting as a light-house. If the Earth happens to be swept over by the light-house beam, the pulsar may be registered and studied. It is a sad fact that the PhD student who made the actual discovery was not given a shared part of the prize. But is is positive that 20 year later, when a similar discovery was rewarded in 1993, the professor and the PhD student shared the prize.

Anders Bárány

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