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Lange stiller Pulsar zeigt gleich drei abrupte Drehzahlsprünge
Kosmischer Ruck: Der junge Pulsar PSR J1637−4642 galt über Jahre als erstaunlich ruhig. Eine 15,5-jährige Messreihe zeigt nun drei plötzliche Drehzahlsprünge, deren Stärke sich um mehr als drei Größenordnungen unterscheidet. Ein Modell der Erholung nach dem größten Ereignis weist auf einen superfluiden Drehimpulsspeicher in der inneren Kruste.
Xiamen (China). Pulsare sind rasch rotierende Neutronensterne, deren Radiostrahlung wie ein kosmisches Leuchtfeuer regelmäßig an der Erde vorbeistreicht, doch manche von ihnen beschleunigen ihre Rotation abrupt um einen winzigen Betrag. Solche Sprünge heißen Glitches und gelten als Fenster in das sonst unzugängliche Innere der extrem dichten Sterne.
Besonders junge Pulsare zeigen solche Ereignisse relativ häufig. PSR J1637−4642 passte bislang nicht recht in dieses Bild: Der rund 41.000 Jahre alte Stern dreht sich einmal in etwa 154 Millisekunden, war aber seit seiner Entdeckung über Jahre ohne bekannten Glitch geblieben. Genau diese lange Ruhephase macht die neuen Funde auffällig.
Forscher der Xiamen University (XMU) haben dafür Beobachtungen ausgewertet, die mit Murriyang am Parkes Observatory zwischen dem 19. Februar 2009 und dem 6. Oktober 2024 aufgenommen wurden und damit mehr als 15 Jahre umfassen. Aus den Ankunftszeiten der Radiopulse rekonstruierten die Wissenschaftler die Rotation des Pulsars und suchten nach plötzlichen Abweichungen vom langfristigen Abbremsen.
Die Analyse enthüllte drei Glitches. Der erste trat 2018 auf und war mit Abstand der stärkste: Die Rotationsfrequenz stieg um rund 17,54 Mikrohertz, entsprechend einem relativen Sprung von etwa 2,7 Millionstel. Der zweite Glitch rund drei Jahre später war mehr als tausendmal kleiner und erhöhte die Frequenz nur um etwa 14 Nanohertz. Der dritte folgte weitere 2,7 Jahre später mit etwa 179 Nanohertz.
Zwischen dem Beginn der Datenserie und dem ersten Glitch lagen etwa 9,5 Jahre ohne ein solches Ereignis. Danach folgten die zwei weiteren Sprünge in unregelmäßigen Abständen. Beim dritten Glitch ist die Nachbeobachtung allerdings dünn: Nach dem Ereignis standen nur zwei Datenpunkte aus sechs Pulsankunftszeiten zur Verfügung. Dass dort keine messbare exponentielle Erholung gefunden wurde, könnte daher teilweise an der begrenzten Abdeckung liegen.
Nur der erste Glitch zeigte eine klare Erholungsphase. Ein rein phänomenologischer Fit beschreibt den beobachteten exponentiellen Abfall mit 67 ± 8 Tagen. Im physikalisch motivierten Vortex-Creep-Modell, das die interne superfluide Antwort von äußeren Drehmomenten trennt, ergibt sich dagegen eine intrinsische Relaxationszeit von rund 102 Tagen.
Das Modell liefert außerdem einen Anteil von 0,0187 am Trägheitsmoment, also rund 1,9 Prozent, für den superfluiden Bereich, der auf diesen Zeitskalen an die feste Kruste gekoppelt ist. Dieser Wert liegt laut Studie im Bereich dessen, was für superfluide Neutronen in der inneren Kruste erwartet wird. Das Ergebnis ist jedoch eine modellabhängige Ableitung und keine direkte Messung des Sterninneren.
Nach dem gängigen Vortex-Creep-Bild sind Neutronen in der inneren Kruste superfluid und rotieren mithilfe quantisierter Wirbel. Werden viele dieser Wirbel plötzlich von der Gitterstruktur der Kruste gelöst, kann Drehimpuls auf die feste Kruste übertragen werden und der Pulsar springt auf eine etwas höhere Rotationsfrequenz. Anschließend ordnen sich Wirbel und Kruste schrittweise neu, was die beobachtete Erholung erklären kann.
Die drei Ereignisse reichen in ihrer relativen Stärke über mehr als drei Größenordnungen und zeigen damit bei einem einzelnen bislang unauffälligen Pulsar sowohl einen sehr großen als auch zwei deutlich kleinere Glitches. Das spricht gegen die einfache Vorstellung, dass sich vor jedem Ereignis nur gleichmäßig Spannung ansammelt und anschließend in vergleichbarer Größe entlädt. Welche Bedingungen den Zeitpunkt und die Größe eines Glitches bestimmen, bleibt offen.