Quasare gesucht, Pulsare gefunden

Wie Jocelyn Bell vor 50 Jahren die ersten Neutronensterne entdeckte

Als die junge Astronomin Jocelyn Bell im Sommer 1967 einen neuen Stapel Datenbögen durchforstete, fiel ihr ein ungewöhnliches Signal kurzer Radiopulse auf, die sich mit großer Genauigkeit wiederholten. Ein halbes Jahr später war klar: Die 24-Jährige hatte mit ihrem Zufallsfund eine neue Klasse von Sternen entdeckt, deren Existenz Theoretiker bereits in den 1930er Jahren vorhergesagt hatten, die Neutronensterne.

Im Jahr 1965 hatte Jocelyn Bell am „Mullard Radio Astronomy Observatory“ an der University of Cambridge mit ihrer Doktorarbeit begonnen. Ihr Thema war brandaktuell: Sie wollte nach Quasaren suchen und deren Positionen genau bestimmen. Die Natur dieser in den 1950er Jahren entdeckten punktförmigen Radioquellen war damals noch weitgehend unbekannt. Und Radioteleskope, die eine exakte Positionsbestimmung dieser Himmelsobjekte ermöglicht hätten, gab es noch nicht.

Erst 1963 war es dem niederländischen Astronom Maarten Schmidt gelungen, das optische Spektrum der Radioquelle 3C 273 aufzulösen. Er erkannte, dass es sich um ein sehr weit entferntes Himmelsobjekt handeln musste, das folglich sehr viel Energie abstrahlt und nur quasi sternartig erscheint. Wie wir heute wissen, sind Quasare die Kerne aktiver Galaxien, die praktisch durch das gesamte Universum sichtbar sind.

Für ihre Suche nach den Quasaren baute Jocelyn Bell mit Antony Hewish, ihrem Doktorvater, und vier Studenten eigens eine neue Radioantenne. Mit ihr sollte es möglich sein, schnelle zeitliche Wechsel der aus dem All eintreffenden Radiowellen zu erfassen. Die Idee dafür hatte Hewish schon als Postdoc entwickelt.

Das Interplanetary Scintillation Array baute Jocelyn Bell mit ihrem Doktorvater Antony Hewish und einigen Kollegen eigentlich für ihre Suche nach Quasaren.

Das Interplanetary Scintillation Array maß zweieinhalb Fußballfelder und bestand aus 2048 exakt gleich großen Dipol-Antennen, die präzise miteinander verbunden werden mussten. Der Bau dieser Riesenantenne war technisch wie handwerklich eine enorme Herausforderung, für die Bell und ihre Helfer alleine 1,7 Tonnen Kupferdraht verwendeten. Das Prinzip einer solchen unbeweglichen Antennenanlage ist einfach: Durch die Erddrehung tastet sie jenen Streifen des Himmels ab, der in Blickrichtung vorbeizieht.

Zwei Jahre später, im Juli 1967, war es endlich soweit und das Radioteleskop-Array lieferte die ersten Daten. Für den Betrieb des Teleskops verantwortlich, hatte sich Jocelyn Bell vorgenommen, die Daten zumindest so lange manuell auszuwerten, bis sie und ihre Kollegen mit Teleskop und Verstärker besser vertraut waren. Denn auch Instrumente haben ihre Tücken und können in den Daten Artefakte hervorrufen, die es von echten Signalen aus dem All zu unterscheiden gilt. Und der Mensch wäre besser in der Lage, Signale mit unerwarteter Signatur zu erkennen, als sich ein Computer dazu programmieren ließe, dachte sich Bell. Das bedeutete zwar zunächst viel mühselige Arbeit. Denn der Drucker lieferte täglich eine 29 Meter lange Papierschlange mit Messdaten, die es mit dem bloßen Auge zu sichten galt.


Das Signal!

Doch die Mühe sollte sich lohnen. Am 6. August fiel Jocelyn Bell ein merkwürdig verwaschenes Signal auf, das aus der Himmelsregion mit dem Sternbild Füchschen zu stammen schien. Es war nicht das, wonach sie suchte. Manch einer hätte dem Signal vielleicht wenig Beachtung geschenkt oder es auf eine irdische Quelle zurückgeführt und völlig ignoriert. Doch Bell vermerkte daneben auf dem Datenbogen „Scruff“, was so viel bedeutet wie „gammeliger Kerl“ – und ging dem Signal weiter nach. Schon wenige Tage später erkannte sie, dass es von einer fixen Quelle an stets derselben Himmelsposition ausging. Manchmal allerdings blieb das Signal aus. Vielleicht war es mitunter einfach zu schwach, um detektiert zu werden, nahm Bell an.

Am 6. August 1967 ging Jocelyn Bell das erste Signal eines Pulsars ins Netz

Zwei Wochen wartete sie ab, ehe sie Antony Hewish von ihrer Beobachtung berichtete. Dieser vermutete als Ursache vorbeifahrende Autos oder andere irdische Störquellen wie eine Hütte mit Wellblechdach, die auf einem südlich an das Antennen-Array angrenzenden Grundstück stand. Doch Jocelyn Bell blieb hartnäckig. In den darauffolgenden Wochen versuchte sie, irdische Ursachen oder Fehler am Antennen-Array auszuschließen. Mit speziellen Tests an dem bereits gut bekannten Quasar 3C 273 kalibrierte sie das Teleskop erneut und verfeinerte seine Technik mit besseren Verstärkern.

Anfang November installierte sie einen weiteren Datenschreiber. Er sollte das Papier um den Zeitpunkt des Signals schneller durchziehen und damit eine feinere zeitliche Auflösung gewährleisten. Aber das „Scruff“-Signal blieb mehrere Wochen aus. Erst am 28. November zeigte es sich erneut. Noch während das Papier unter dem Stift hindurchlief, konnte Bell beobachten, wie es sich in eine Reihe einzelner Pulse auflöste.


Ernüchterung

Auch diesmal war die Reaktion ihres Doktorvaters zunächst ernüchternd. Er widersprach Bells Annahme, das Signal könne von einem Himmelsobjekt stammen und vermutete weiterhin eine irdische Ursache. Doch neugierig geworden, stand auch Hewish am folgenden Tag neben dem Drucker und wurde Zeuge des wiederkehrenden Signals: Es war erneut klar und deutlich zu erkennen und tauchte an denselben Himmelskoordinaten im Sternbild Füchschen auf. Die einzelnen Pulse dauerten jeweils 0,04 Sekunden und wiederholten sich mit einer Periode von 1,337 Sekunden.

Erstes, zeitlich hochaufgelöstes Signal eines Pulsars, aufgenommen von Jocelyn Bell am 28. November 1967 mit dem Interplanetary Scintillation Array am Mullard Radio Astronomy Observatory.

Inzwischen waren mehrere Mitarbeiter vom Mullard Radio Astronomy Observatory elektrisiert und beteiligten sich an der Suche nach der Ursache für dieses zeitlich ungewöhnlich exakte Signal. Bells Kollegen P.F. Scott und R.A. Collins beobachteten die betreffende Himmelsregion mit einem kleineren Radioteleskop und anderen Verstärkern. Auch sie konnten das Signal, wenn auch ohne zeitliche Auflösung, empfangen und werteten dies als Beleg dafür, dass das Interplanetary Scintillation Array fehlerfrei arbeite.

Weil an der Radioquelle keine Parallaxe messbar war, nahmen die Radioastronomen an, dass sie außerhalb des Sonnensystems liegen muss, aber wohl innerhalb der Galaxis. Bell und Hewish schätzten die Entfernung anfangs auf 200 Lichtjahre. Wie man heute weiß, lagen sie damit um etwa den Faktor Zehn zu niedrig.


Little Green Men?

Halb im Scherz, halb im Ernst diskutierten einige Forscher sogar die Möglichkeit, das Signal könne ein Zeichen einer extraterrestrischen Zivilisation sein. Schon bald war in der Arbeitsgruppe um Hewish die Rede von den LGM, den „Little Green Men“. So richtig zum Lachen fand Jocelyn Bell das allerdings nicht. Später sagte sie bei einer Tischrede rückblickend auf die Vorweihnachtszeit 1967: „Ich versuchte, für meine Doktorarbeit eine neue Technik auszutesten, und einige alberne Little Green Men suchten ausgerechnet meine Antenne und meine Frequenz aus, um mit uns zu kommunizieren.“ Hewish fasste die intensiven Diskussionen zur Möglichkeit, es könne sich um ein künstliches Signal handeln, mit den Worten zusammen: „Ohne Zweifel waren diese Wochen im Dezember 1967 die aufregendsten meines Lebens.“

Recht schnell fanden sich jedoch mehrere Argumente gegen die „Little Green Men“-Hypothese: Denn kämen die Signale tatsächlich von einem fernen Planeten, der um einen fremden Stern kreist, müsste sich die Bahnbewegung des Planeten wegen des Dopplereffekts als periodische Spektralverschiebung im Signal bemerkbar machen. Und allein die hohe Energiemenge, die für die Signale nötig wäre, ließ diese Hypothese unwahrscheinlich erscheinen.

Am 21. Dezember fand Bell eine zweite Radioquelle, deren Muster der ersten ähnelte. Nun konnte sie sich auf Weihnachten freuen. „[Denn] es war äußerst unwahrscheinlich, dass gleich zwei Populationen von kleinen grünen Männchen [an unterschiedlichen Orten im Universum] dieselbe Frequenz wählen und zur selben Zeit denselben Planeten Erde anfunken“, erinnert sie sich später. Bis Mitte Januar 1968 waren eine dritte und eine vierte pulsierende Radioquelle bekannt und spätestens mit diesen Entdeckungen war die Annahme eines künstlich erzeugten Signals endgültig vom Tisch.


Was hatte Jocelyn Bell entdeckt?

Hewish und Bell veröffentlichen gemeinsam mit drei weiteren Mitarbeitern des Mullard Radio Astronomy Observatory ihre Entdeckung am 24. Februar 1968 unter dem Titel „Observation of a Rapidly Pulsating Radio Source“ in der Fachzeitschrift Nature.

In den Monaten danach richteten Radioastronomen in aller Welt ihre Teleskope auf die vier bis dahin bekannten Pulsare. Doch um was für exotische Objekte handelte es sich, die in der Lage waren, ihre Energie scheinbar pulsartig in den Raum zu schicken?

Hewish und seine Kollegen vermuteten bereits, es könne sich bei Bells Fund um einen so genannten Neutronenstern handeln. Über die Existenz solcher exotischen Objekte hatten rund drei Jahrzehnte zuvor die Astronomen Walter Baade (1893-1960) und Fritz Zwicky (1898-1974) spekuliert, kurz nachdem James Chadwick (1891-1974) das Neutron als weiteren Kernbaustein von Atomen entdeckt und 1935 dafür den Nobelpreis erhalten hatte. Baade und Zwicky versuchten damals zu verstehen, was bei einer Supernova im Sterninneren vor sich geht. Der Sternenrest, der nach einer Sternexplosion zurückbleibt, so folgerten die beiden, könnte vorwiegend aus Neutronen bestehen und so dicht gepackt sein wie die Materie eines Atomkerns.

Diese Theorie verknüpfte auch der Astrophysiker Thomas Gold aus Cambridge mit den Beobachtungen der kosmischen Radiopulse und lieferte eine besonders galante Erklärung: Demnach besitzen diese extrem kompakten Himmelskörper ein starkes, bipolares Magnetfeld, entlang dessen Achse Materie beschleunigt und dabei zum Strahlen angeregt wird. Da Magnetfeld- und Rotationsachse des Sterns in der Regel räumlich unterschiedlich ausgerichtet sind, strahlen die beiden entlang der Magnetfeldachse ausgesandten Lichtkegel wie ein kosmischer Leuchtturm in den Raum: Der Neutronenstern erscheint als Pulsar.


1974: Der Nobelpreis für Physik

Nicht einmal ein Jahrzehnt später würdigte das Nobelkomitee die Entdeckung der Pulsare mit dem Nobelpreis für Physik. Im Jahr 1974 teilte sich Antony Hewish die Ehrung mit dem Radioastronomen Martin Ryle. Dieser erhielt seinen Teil der Auszeichnung für die Entwicklung eines Radioteleskopsystems zur genauen Positionsbestimmung schwacher Radioquellen. Damit erkannte die Nobeljury erstmals Leistungen aus der Astronomie als preiswürdig an. Jocelyn Bell Burnell allerdings – inzwischen verheiratet – wurde bei der Preisvergabe nicht berücksichtigt.

Anders als einige Kritiker sah sie selbst diese Entscheidung der Jury – zumindest laut jener Tischrede aus dem Jahr 1975 – deutlich entspannter: „... Drittens würde es die Bedeutung des Nobelpreises herabsetzen, wenn er Forschungsstudenten vergeben würde, abgesehen von wirklich herausragenden Fällen, und dieser war in meinen Augen keiner.“

Was bleibt, ist die Tatsache, dass Jocelyn Bell Burnell nicht nur den ersten, sondern sogar die ersten beiden Pulsare entdeckt hat. Als sie ihre Dissertation, die sich nach wie vor vorwiegend mit der Beobachtung von Quasaren befasste, abschloss, waren bereits zehn Pulsare bekannt, zum Zeitpunkt der Nobelpreisvergabe waren es 130. Bis heute ist die Anzahl auf 2627 bestätigte Beobachtungen angewachsen, die in einem Katalog der „Australia Telescope National Facility“ (ATNF) aufgeführt werden. Pulsare sind nach wie vor wichtige Forschungsobjekte zum Verständnis dichter Kernmaterie; wegen ihrer extremen Eigenschaften dienen sie zudem als Testobjekte der Allgemeinen Relativitätstheorie.

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Pulsare: höchst exotische Himmelsobjekte

Jeder Pulsar ist ein Neutronenstern, aber nicht jeder Neutronenstern ist – von der Erde aus beobachtet – ein Pulsar. Im Prinzip handelt es sich bei diesen Himmelskörpern um große und superkompakte Atomkerne. Sie sind Überreste massereicher Sterne. Nachdem der Fusionsbrennstoff eines Sterns aufgebraucht ist, explodiert sein äußerer Teil als Supernova. Die Kernregion hingegen implodiert, weil der Schwerkraft kein Druck mehr entgegenwirkt. Protonen und Elektronen der Materie werden dabei extrem verdichtet und vereinen sich zu Neutronen. Als „Sternleiche“ bleibt ein Neutronenstern zurück, eine Kugel mit einer Masse zwischen 1,4 bis 3 Sonnenmassen bei einem Durchmesser von nur 10 bis 20 Kilometern. Damit sind Neutronensterne die dichtesten bekannten Himmelsobjekte ohne Ereignishorizont. Ein Würfel mit Neutronensternmaterie von der Größe eines Stücks Würfelzucker würde auf der Erde etwa so viel auf die Waage bringen wie ein Goldwürfel mit der Kantenlänge von 700 Metern. Neutronensterne rotieren deshalb so schnell, weil der Supernova-Überrest den Drehimpuls seines Vorgängersterns beibehält. Auch das Magnetfeld des ursprünglichen Sterns wird im Neutronenstern komprimiert, weshalb es äußerst stark ist.

Das Max-Planck-Institut für Radioastronomie, Bonn, präsentiert auf seiner Website „Pulsare hören und verstehen“ 22 Pulsare, welche die Vielfalt dieser exotischen Himmelsobjekte andeuten.

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