Pulsars zijn in feite kosmische vuurtorens. Het zijn snel ronddraaiende neutronensterren, de superdichte lijken van massieve sterren die als supernova’s zijn geëxplodeerd. Deze objecten zijn geestverruimend compact. Eén enkele neutronenster heeft tussen de 1,18 en 1,97 keer de massa van onze zon in een bol van slechts 20 kilometer breed. De meeste hebben een massa van ongeveer 1,35 zonsmassa.
Ze draaien. Snel.
De eerste van deze objecten werden in 1967 gevonden door Antony Hewish en Jocelyn Bell aan de Universiteit van Cambridge. Ze gebruikten een radiotelescoop die ontworpen was om snelle schommelingen in radiobronnen op te vangen. Wat ze zagen waren extreem regelmatige pulsen. Sommige pulsars stoten radiogolven uit. Anderen flitsen in zichtbaar licht, röntgenstraling of gammastraling. Er zijn zelfs radiostille exemplaren die alleen in röntgen- of gammagolflengten schreeuwen.
Het mechanisme is eenvoudig maar gewelddadig. Wanneer een ster instort, vervallen de neutronen aan het oppervlak tot protonen en elektronen. Deze geladen deeltjes worden van het oppervlak gerukt en raken een intens magnetisch veld. We hebben het hier over 10^12 Gauss. Ter context: het magnetische veld van de aarde is een zwakke 0,5 gauss.
De deeltjes versnellen tot bijna lichtsnelheden. Ze zenden synchrotronstraling uit. Dit schiet als intense stralen uit de magnetische polen. Maar hier is het addertje onder het gras: de magnetische polen liggen niet op één lijn met de rotatiepolen. Dus terwijl de ster ronddraait, vegen die stralen door de ruimte. Als de aarde zich toevallig in het pad bevindt, detecteren we een gestage, ritmische puls.
Sinds die eerste ontdekking hebben astronomen ongeveer 2000 pulsars gevonden. Ze zijn niet willekeurig verspreid. De meeste clusteren rond het vlak van de Melkweg.
Het snelheidsrecord
Pulsars variëren enorm in hoe snel ze draaien. De langzaamst waargenomen pulsar heeft ongeveer 11,8 seconden nodig om één rotatie te voltooien. Dat is traag voor een ster.
Dan heb je de millisecondepulsars.
Ruim twintig jaar lang was de recordhouder PSR J1939+2134. Ontdekt in 1982, draait het 642 keer per seconde. De periode bedraagt slechts 1,55 milliseconden.
In 2006 werd dat record verbroken. J1748−2446ad draait 716 keer per seconde. De periode is 1,396 milliseconden.
Waarom is er een limiet? Centrifugale kracht. Als een neutronenster veel sneller draait, overwint de kracht op de evenaar de zwaartekracht. De ster zou zichzelf uit elkaar scheuren. De ontsnappingssnelheid aan het oppervlak van een neutronenster is ongeveer de helft van de lichtsnelheid. De zwaartekracht is zo sterk. Toch gaan deze sterren tegen de theoretische limiet aan.
Millisecondepulsars ontstaan meestal in dubbelstersystemen. De neutronenster neemt na de supernova materie op van zijn metgezel. Die toegevoegde massa en impulsmoment zorgen ervoor dat het omhoog gaat. Het is alsof een kunstschaatser zijn armen intrekt, maar dan op galactische schaal.
Glitches en zwaartekrachtgolven
Pulsars vertragen. Heel langzaam. Meestal met een miljoenste van een seconde per jaar.
Door deze vertraging kunnen astronomen een ‘karakteristieke leeftijd’ berekenen. Je neemt de huidige periode en deelt deze door het vertragingspercentage. Het is een ruwe schatting. Soms komt het overeen met de werkelijke leeftijd. De Crab Pulsar, geboren uit een supernova in 1054 CE, heeft een karakteristieke leeftijd van 1.240 jaar. Dat is dichtbij.
Andere keren is het uitgeschakeld. Pulsar J0205+6449 gevormd in 1181 CE. De karakteristieke leeftijd is 5.390 jaar. Dat is ver weg.
Omdat de vertraging zo geleidelijk verloopt, zijn deze objecten ongelooflijk nauwkeurige klokken. En omdat ze zulke sterke zwaartekrachtvelden hebben, zijn ze perfecte proefpersonen voor zwaartekrachttheorieën.
In 1993 wonnen Joseph Taylor en Russell Hulse de Nobelprijs voor de natuurkunde. Ze bestudeerden de pulsar PSR 1913+16. Het bevindt zich in een krappe baan met een andere neutronenster. De zwaartekracht van de twee sterren knoeit met de regelmaat van de radiopulsen. Door deze variaties te timen, zagen Taylor en Hulse de sterren steeds sneller ronddraaien in een steeds kleiner wordende baan.
Ze verloren energie. De enige verklaring waren zwaartekrachtsgolven. Dit was het eerste experimentele bewijs van golven voorspeld door Albert Einstein in zijn algemene relativiteitstheorie.
Dan zijn er de storingen.
Een glitch is een plotselinge sprong in de periode van de pulsar. Het draait omhoog en vertraagt vervolgens geleidelijk weer naar de waarde van vóór de storing. Dit gebeurt vanwege ‘sterbevingen’. De stijve ijzerkorst van de ster barst. Of de koppeling tussen de korst en het vloeibare binnenste verschuift. Meestal draait het binnenste sneller dan de korst. Soms wordt de korst ingehaald. Of uitglijdt. De timing verandert.
We gebruiken deze storingen om de interne structuur van sterren die we niet kunnen zien te onderzoeken. We brengen het onzichtbare in kaart door het licht te zien knipperen.
“Deze spinsnelheden liggen dicht bij de theoretische limiet voor een pulsar, omdat een neutronenster die slechts ongeveer vier keer zo snel roteert, uit elkaar zou vliegen.”
Het is vreemd om te denken dat de dood van een ster een hulpmiddel kan worden om de tijd zelf te meten. Of het feit dat Einstein gelijk had, tientallen jaren voordat we de rimpelingen in de ruimtetijd konden detecteren. De Krabnevel gloeit. De millisecondepulsars tikken. En wij luisteren alleen maar.
Er bestaan nog steeds radiostille pulsars. We weten niet waar ze allemaal zijn. De Melkweg is groot. Het universum is groter. En de vuurtorens blijven draaien.
De Crab- en Vela-pulsars zijn niet alleen tollen. Het zijn energie-vampiermotoren, die de rotatiesnelheid zo snel verlagen dat het energieverlies zich over het hele elektromagnetische spectrum manifesteert. Dit is niet alleen theorie. Het is een waarneembare realiteit, die elke milliseconde in onze detectoren flitst.
Neem de krabpulsar. Op optische foto’s lijkt hij op een bescheiden ster van magnitude 16, midden in het hart van de Krabnevel. Maar als je beter kijkt, gloeit het licht niet alleen. Het pulseert. Astronomen van het Steward Observatory in Arizona hebben dit exacte gedrag in 1968 vastgelegd, kort na de eerste radio-ontdekking. Het zichtbare licht flitst met precies dezelfde snelheid als de radiogolven. Het stoot ook regelmatige pulsen van röntgen- en gammastraling uit. Het is een baken met meerdere golflengten.
Dan is er de Vela Pulsar. In zichtbaar licht is hij veel zwakker en schommelt rond de magnitude 24. Je hebt serieuze apparatuur nodig om hem te kunnen zien. Een gevoelige zoektocht in 1977 met behulp van de grote Anglo-Australische telescoop in Parkes slaagde erin hem te ontdekken. Vela pulseert ook op röntgenfoto’s. Maar zijn claim op roem is gammastraling. Het is de meest intense bron van dergelijke straling in de hele hemel. Regelmatige, voorspelbare gammastralingspulsen.
De mechanismen van accretie en anomalieën
Niet alle röntgenpulsars volgen dezelfde regels. Sommige zijn ‘accreterende’ pulsars. Ze leven in binaire systemen. De neutronenster trekt materiaal van zijn begeleidende ster. Die materie valt langs magnetische veldlijnen en botst tegen de magnetische poolkappen. Bij de impact komen röntgenstralen vrij. Het is een kosmische ramkoers.
Dan heb je de klasse “afwijkend”. Deze zijn raar. Hun menstruaties duren langer dan vijf seconden. Ze barsten onvoorspelbaar van röntgenactiviteit. Ze zijn vaak gekoppeld aan supernovaresten. Deze objecten zijn afkomstig van sterk gemagnetiseerde neutronensterren, bekend als magnetars. Hun magnetische velden variëren tussen 10^14 en 10^15 gauss. Dat is onvoorstelbaar sterk.
Deze magnetars overlappen ook met een andere groep: zachte gammastraalrepeaters. Ze pulseren niet alleen. Ze barsten. Zich herhalende uitbarstingen van gammastraling die de kosmos in chaotische flitsen verlichten.
Het mysterie dat alleen gamma bevat
Sommige pulsars zenden helemaal geen radiogolven uit. Ze schijnen alleen in gammastraling. De Fermi Gammaray-ruimtetelescoop veranderde hier het spel. In 2008 vond het de eerste dergelijke pulsar in het supernova-overblijfsel CTA 1. Sindsdien heeft het er elf aan de lijst toegevoegd.
Het emissiemechanisme tart hier standaardmodellen. Radiopulsars krijgen hun signaal van deeltjesbundels die uit de magnetische polen schieten. Pulsars met alleen gammastraling werken niet op die manier. De emissie vindt plaats ver van het oppervlak van de neutronenster. De fysica achter deze gap-emissie blijft een zwarte doos.
Wij weten dat ze bestaan. Wij kunnen ze tellen. Maar het precieze fysieke proces dat deze gammastralingspulsen genereert, is nog onbekend. De motor loopt, het lampje knippert, maar we zijn nog steeds aan het gissen naar de mechanica.
