Neutronenstern-Entdeckung am heimischen PC

13. August 2010 von Markus Pössel in Astronomie

Die Idee ist bestechend einfach: Warum nicht die vielen Rechenzyklen, während derer der heimische PC sich sowieso nur langweilt, weil es nichts zu tun gibt, für die Wissenschaft nutzen? SETI@Home macht das seit 1999 mit der Suche nach den Radiosignalen intelligenter Außerirdischer vor, und Einstein@Home zog 2005 nach, um mit Hilfe gespendeter Rechnerzeit die Daten der Detektoren LIGO und GEO600 nach den Spuren von Gravitationswellen zu suchen. Deutsche Heimat des Projekts ist das Hannoveraner Teilinstitut des Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik, wo Bruce Allen, der Einstein@Home mit ins Leben gerufen hat, als Direktor tätig ist. Die Gravitationswellen sind zwar immer noch nicht nachgewiesen – das wäre auch eine echte Sensation –, aber dafür haben die Einstein@Home-Rechner etwas anderes gefunden: Einen vorher noch nicht bekannten Pulsar, dessen periodische Radiosignale die Erde erreichen. Seit einiger Zeit widmet Einstein@Home nämlich rund ein Drittel seiner Rechenzeit der Auswertung von Radiosignalen des großen Arecibo-Teleskops, das hier zu sehen ist (Durchmesser 305 Meter).

Arecibo-Radioteleskop, Bild: National Astronomy and Ionosphere Center, Cornell U., NSF

[Bild: NAIC, Cornell, NSF]

Was die Radiowellen mit Gravitationswellen gemeinsam haben? Zunächst einmal geht es um die gleiche Art von Objekten, nämlich um Neutronensterne. Die entstehen, wenn ein massereicher Stern den Kernfusionsbrennstoff, der für sein helles Leuchten verantwortlich ist, aufgebraucht hat: Dann explodiert der Stern als Supernova, und seine Kernregionen fallen in sich zusammen, bis eine Kugel mit rund 1,4 Mal soviel Masse wie die Sonne aber einem (astronomisch gesehen winzigen) Durchmesser von nur rund 20 Kilometern entsteht, eben der Neutronenstern.

Wenn ein so kompaktes und massereiches Objekt wie ein Neutronenstern rotiert – und das ergibt sich bei dem Sternenkernkollaps zwangsläufig – dann mit großer Regelmäßigkeit. Als Analogie kann man sich vorstellen, wie einfach oder schwierig es ist, die Bewegung eines Objekts zu stören. Einen rollenden Ball kann man leicht mit dem Fuß aufhalten. Bei einem rollenden Auto ist das schon deutlich schwieriger. Physikalisch steckt dahinter, dass das rollende Auto eine deutlich größere (träge) Masse hat als der Ball und man damit deutlich mehr Kraft aufwenden muss, um ihn um einen bestimmten Betrag zu bremsen. Analog dazu bei einem rotierenden Objekt: je größer dessen Trägheitsmoment (das von der Masse des Objekts abhängt und davon, ob diese Masse relativ zur Rotationsachse weiter innen oder weiter außen sitzt), umso schwieriger ist es, seine Drehbewegung zu beeinflussen. Die Rotation eines Neutronensterns ist rund doppelt so schwer zu bremsen oder zu beschleunigen wie die Rotation des gesamten Erdballs – wobei der viel kleinere Neutronenstern von außen angreifenden Kräften eine deutlich geringere Angriffsfläche bietet. Damit lässt sich die Rotation des Neutronensterns nur schwer stören, und dementsprechend ungestört rotieren diese kompakten Sterne denn auch mit einer Regelmäßigkeit, die in einigen Fällen die von modernen Atomuhren übertreffen kann.

Wenn uns periodische Radiopulse eines Neutronensterns erreichen, dann, weil er wie ein Leuchtturm in entgegengesetzte Richtungen eng gebündelte Radiostrahlung aussendet, und weil der Stern relativ zu uns so orientiert ist, dass uns mindestens eines dieser Strahlenbündel mit der Rotation des Sterns regelmäßig überstreicht. Auch die Frequenz der Gravitationswellen, die ein Neutronenstern ausstrahlt, wenn er z.B. ein wenig unregelmäßig verformt ist, ergebibt sich aus seiner regelmäßigen Rotation. Zunächst einmal haben wir es also beide Male mit gleich regelmäßigen Signalen im gleichen  Frequenzbereich zu tun.

Das ist aber noch nicht alles. Die Gravitationswellen, die man von rotierenden Neutronensternen erwarten kann, sind äußerst schwach, und man muss sie über lange Zeit hinweg beobachten, um sie sicher nachweisen zu können. Das Problem: Über so lange Zeiträume hinweg dreht sich der Detektor mit der Erde mit, und läuft mit ihr um die Sonne. Ähnlich wie bei den Frequenzverschiebungen im Tatü-Tata eines Rettungswagens, das deutlich tiefer klingt, wenn sich der Wagen von uns entfernt, sorgt der Dopplereffekt bei dieser Bewegung von Detektor und Erde für leichte Frequenzverschiebungen. Wir haben es damit also mit einer Überlagerung eines regelmäßigen Signals und vergleichsweise langsamer Verschiebungen zu tun – und für die aufwändige Suche nach dieser Art von Signalen ist der Einstein@Home-Code optimiert. (Warum aufwändig? Weil es je nach Frequenz und je nach Position des Pulsars am Himmel viele verschiedene Möglichkeiten für solche Signale gibt, und nach allen soll gesucht werden.)

Das ist aber wiederum die gleiche Situation wie bei den Radiowellen, die uns von Pulsaren erreicht, die Teil eines Doppelsternsystems sind, also beispielsweise um einen anderen Neutronenstern oder um ein schwarzes Loch kreisen. Auch dieses Umeinanderkreisen überlagert dem regelmäßigen Radiopulsen des Pulsars eine langsamere Dopplerverschiebung. Dementsprechend lassen sich zwei Fliegen mit einer Klappe schlagen: Wer einen effektiven Suchcode für die Gravitationswellen von rotierenden Neutronensternen hat, kann auch gut nach den Radiosignalen von Pulsaren suchen, die Teil eines Doppelsternsystems sind.

Genau das haben die Einstein@Home-Betreiber seit Frühjahr 2009 getan. Nicht nur, weil dies mit ihrem Code ohne großen Zusatzaufwand möglich ist, sondern auch, weil die Häufigkeit solcher engen Doppelsysteme wiederum für die Suche nach Gravitationswellen interessant ist: Einstein@Home kann Doppelsterne mit Perioden von mehr als 11 Minuten finden, und damit schneller kreisende Systeme als herkömmliche Verfahren. Solche schnellen Systeme bestehen aus zwei Neutronensternen, oder einem Neutronenstern und einem Schwarzen Loch, und sind für die Gravitationswellenjäger hochinteressant: Durch Abstrahlung von Gravitationswellen kommen sich die beiden Objekte mit der Zeit immer näher und rasen immer schneller umeinander herum, um schließlich mit einem deutlichen Gravitationswellensignal miteinander zu verschmelzen. Bessere Daten dazu, wieviele dieser Systeme es im Weltall gibt, liefern den Forschern daher bessere Abschätzungen, wieviele solcher Verschmelzungssignale sie in ihren Detektoren mit der Zeit erwarten können.

Ein Nebeneffekt ist, dass die Wahrscheinlichkeit, solche neuen Pulsare über ihre Radiosignale nachzuweisen, deutlich höher ist als die, Gravitationswellen nachzuweisen. Dass es damit für die Menschen, die dem Projekt die Rechenzeit ihrer Heimcomputer spenden, öfter einmal Erfolgserlebnisse gibt, ist für ein Projekt, das von der Motivation möglichst vieler Freiwilliger lebt (derzeit sind es über 200.000) nicht unwichtig.

Der jetzt gefundene Pulsar ist nicht Teil eines Doppelsternsystems, sondern ein Einzelpulsar – allerdings ein recht ungewöhnlicher, denn was seine Periode (40,8 Drehungen pro Sekunde) und die leichte Verlangsamung dieser Periode mit der Zeit angeht, hat er Eigenschaften, die man sonst nur von Pulsaren kennt, die Teil eines Doppelsternsystems sind. Dieser spezielle Pulsar ist aufgrund seiner Entfernung und seiner geschätzten Gravitationswellen-Leistung keine vielversprechende Quelle für die Gravitationswellendetektoren, und für gute Häufigkeitsschätzungen bedarf es noch deutlich mehr weiterer Datenpunkte – aber die Suche hat ja auch gerade erst angefangen.

  • Fachartikel: Vorabdruck hier nachzulesen; der eigentliche Artikel in der Zeitschrift Science ist hier.
  • Einstein Online-Artikel (von 2005, müsste mal aktualisiert werden, ich weiß) über das Projekt Einstein@Home hier.
  • Wer mitsuchen will, kann sich hier bei Einstein@Home anmelden. Wer der Wissenschaft auf andere Weise helfen will, findet hier eine Liste ähnlicher Projekte, vom Proteinfalten bis zum Erdbebenrechnen.

Nachtrag: Wie man hört, hat Einstein@Home noch einen zweiten neuen Pulsar entdeckt; diesmal einen, der Teil eines Doppelsternsystems ist. Die Details dazu sind aber noch nicht bekanntgegeben worden. 

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