Schwankungen in der Helligkeit und das langgezogene Erscheinungsbild eines Sternüberrests zeigen, dass seine Strahlung innerhalb einer unbekannten interstellaren Wolke gestreut wird, die sich 430 Lichtjahre von der Erde entfernt befindet.

Auf den Punkt gebracht:

  • Ein internationales Team um Tim Sprenger vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR) beobachtete das Flackern der Radiostrahlung eines Pulsars mit zwei der weltweit leistungsstärksten Radioteleskope.
  • Aus der Form des verzerrten Bildes können die Forschenden schließen, dass das dünne Gas zwischen uns und dem Sternüberrest nicht zufällig verteilt ist, sondern in Strukturen mit Vorzugsrichtung vorliegt.
  • Mit der verwendeten Beobachtungstechnik lassen sich hochaufgelöste Bilder erstellen, ohne dass man Teleskope auf der ganzen Erde daten- und rechenintensiv zusammenschalten muss.

Funkelnde Sterne am Nachthimmel sind nicht nur schön anzusehen. Ihr Flimmern verrät etwas über die unterschiedlich warmen und dichten Luftschichten unserer Erdatmosphäre, die das Licht auf dem Weg zu uns brechen. Bestimmte Sternüberreste, die Radiostrahlung aussenden, können einen ganz ähnlichen Effekt zeigen. Zwar kann ihre im Vergleich zum Licht langwellige Radiostrahlung fast ungestört unsere Erdatmosphäre durchdringen, sie wird dafür aber von dem dünnen Gas zwischen den Sternen abgelenkt. Ihr Funkeln – Szintillation genannt – ermöglicht somit einzigartige Einblicke in den interstellaren Raum.

Ein internationales Team um Tim Sprenger vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR) hat die flimmernde Radiostrahlung eines Objekts genau vermessen und dazu eine innovative Beobachtungstechnik genutzt. Die Ergebnisse werden in der aktuellen Ausgabe des Fachjournals Astronomy & Astrophysics veröffentlicht.

Flackernde Sternüberreste

Szintillation tritt nur bei punktförmigen Quellen auf, weshalb weit entfernte Sterne funkeln, Planeten jedoch nicht. Im Radiobereich lässt sich ein Flackern bei Pulsaren beobachten – den Überresten massereicher Sterne. Sie gehören zu den kompaktesten Objekten des Universums: Die Masse eines ganzen Sterns ist auf eine Kugel mit dem Durchmesser einer Großstadt komprimiert. Die Radiosignale, die Pulsare abgeben, schwanken durch Szintillation in ihrer Helligkeit, und ihre Position am Himmel scheint verschmiert. Der in der aktuellen Studie beobachtete Pulsar ist erst der zweite, bei dem sich die Verzerrung durch Szintillation direkt abbilden ließ.

Unerwartet geradlinig

Die Forschenden um Tim Sprenger beobachteten den Pulsar mit der Bezeichnung PSR B1508+55, der sich rund 7000 Lichtjahre entfernt im Sternbild Drache befindet. In der Langzeitaufnahme erscheint der Pulsar zu einer Linie verzogen. „Meist stellt man sich vor, dass der Pulsar von zufälligen Dichteschwankungen zu einer verschwommenen Scheibe verzerrt wird. Stattdessen scheint das interstellare Medium hier geordnete Strukturen mit bevorzugter Richtung auszubilden“, erklärt Erstautor Tim Sprenger. Das könnten beispielsweise parallel verlaufende Filamente oder dünne, gefaltete Schichten sein.

Wie genau die Strukturen in diesem Fall aussehen, ist noch nicht geklärt. Das liegt auch daran, dass die beobachtete Streuung, die sie verursachen, im astronomischen Maßstab sehr klein und schwierig zu beobachten ist. Besonders interessant sind kleine Unregelmäßigkeiten in der ansonsten geraden, gestreuten Linie. „Es ist faszinierend, den Kontrast zwischen dem primären linearen Bild und seinen komplexen Abweichungen zu beobachten. Das wirft die Frage auf: Welche mikroskopischen Strukturen haben sie hervorgebracht – Strukturen, die sich unserem derzeitigen Bild vom interstellaren Medium entziehen?“, fügt Co-Autorin Xun Shi von der Yunnan-Universität in China hinzu. Mit Modellrechnungen lässt sich immerhin der wahrscheinlichste Ort der interstellaren Wolke bestimmen: Sie sollten rund 430 Lichtjahre von der Erde entfernt liegen.

Wegweisende Beobachtungstechnik

Die Szintillation eines Pulsars verursacht so kleine Positionsänderungen, dass man sie mit einzelnen Teleskopen nicht räumlich auflösen kann. Die Forschenden verwendeten daher eine ausgefeilte Beobachtungstechnik und zwei der leistungsstärksten Radioteleskope der Welt: Das 100-Meter-Radioteleskop Effelsberg in Deutschland und das Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope (FAST) in China. Aufgrund der Bewegung der Erde verändert sich die Position der Teleskope erheblich, während sie zeitgleich auf PSR B1508+55 gerichtet sind.

Das bedeutet, dass im Verlauf eines Tages mal das eine und mal das andere Teleskop dasselbe Flackern zuerst sieht, je nachdem ob gerade Deutschland oder China eher in die Bewegungsrichtung der Erde zeigt. Daraus lässt sich ein Bild berechnen. Co-Autor Olaf Wucknitz ergänzt: „Durch die Kombination der verteilten Teleskope mit der Bewegung der Erde relativ zu den beobachteten Strukturen konnten wir eine Auflösung erreichen, die im beobachteten Frequenzbereich mit keiner anderen Technik möglich ist.“

Bei höheren Frequenzen lassen sich vergleichbare Auflösungen realisieren, wenn man viele Teleskope auf der ganzen Welt zu einem virtuellen Teleskop zusammenschaltet. Das ist technisch anspruchsvoll, und die anfallenden Daten müssen zeitaufwendig korreliert werden. „Die von uns verwendete Beobachtungstechnik hat keine großen Ansprüche an die Infrastruktur. Sie funktioniert mit bereits lokal verarbeiteten Datensätzen, die wir mit unseren normalen Laptops zusammenführen konnten“, berichtet Tim Sprenger. Nach diesem Erfolg sind Beobachtungen weiterer Pulsare geplant. Mit ihnen sollte sich dann mehr über die unsichtbaren Strukturen des interstellaren Mediums herausfinden lassen. Michael Kramer, geschäftsführender Direktor des MPIfR, weist darauf hin, dass FAST derzeit das empfindlichste Teleskop der Welt ist, und betont: „Diese großartige Arbeit zeigt, was möglich ist, wenn zwei der leistungsstärksten Instrumente der Welt zusammenarbeiten. Beide Teleskope sind großartig, aber ihre seltene Kombination ist noch viel besser!“

Bild: © Tim Sprenger / MPIfR

Quelle: Max-Planck-Institut für Radioastronomie