Pulsary to zasadniczo kosmiczne latarnie. Są to szybko wirujące gwiazdy neutronowe, ultragęste pozostałości masywnych gwiazd, które eksplodowały jako supernowe. Obiekty te mają zdumiewającą gęstość. Pojedyncza gwiazda neutronowa ma masę od 1,18 do 1,97 masy naszego Słońca i jest skompresowana w kulę o średnicy zaledwie 20 kilometrów. Większość z nich ma masę około 1,35 masy Słońca.
Obracają się. Szybko.
Pierwszy z tych obiektów odkryli w 1967 roku Anthony Hewish i Jocelyn Bell na Uniwersytecie w Cambridge. Użyli radioteleskopu przeznaczonego do wykrywania szybkich wibracji w źródłach radiowych. To, co zobaczyli, to niezwykle regularne pulsy. Niektóre pulsary emitują fale radiowe. Inne rozbłyskują w świetle widzialnym, promieniach rentgenowskich lub promieniach gamma. Istnieją nawet ciche pulsary, które „krzyczą” tylko w promieniach rentgenowskich lub gamma.
Mechanizm jest prosty, ale okrutny. Kiedy gwiazda się zapada, neutrony na powierzchni rozpadają się na protony i elektrony. Te naładowane cząstki odrywają się od powierzchni i wchodzą w intensywne pole magnetyczne. Mówimy o 10^12 gausach. Dla porównania ziemskie pole magnetyczne jest słabe – tylko 0,5 gausa.
Cząsteczki przyspieszają do prędkości bliskich prędkości światła. Emitują promieniowanie synchrotronowe. Wybucha w postaci intensywnych wiązek z biegunów magnetycznych. Ale tu jest haczyk: bieguny magnetyczne nie pokrywają się z osiami obrotu. Dlatego też, gdy gwiazda się obraca, promienie te skanują przestrzeń. Jeśli Ziemia znajdzie się na ich drodze, rejestrujemy stabilny, rytmiczny impuls.
Od tego pierwszego odkrycia astronomowie odkryli około 2000 pulsarów. Nie są one rozrzucone losowo. Większość z nich koncentruje się wzdłuż płaszczyzny Drogi Mlecznej.
Rekord prędkości
Pulsary różnią się znacznie pod względem prędkości obrotowej. Najwolniejszy obserwowany pulsar wykonuje jeden obrót w około 11,8 sekundy. To powolne jak na gwiazdę.
Następnie są pulsary milisekundowe.
Przez ponad dwie dekady rekordzistą był PSR J1939+2134. Otwarty w 1982 roku, obraca się 642 razy na sekundę. Jego okres wynosi tylko 1,55 milisekundy.
W 2006 roku rekord ten został pobity. J1748-2446ad obraca się z prędkością 716 obrotów na sekundę. Jego okres wynosi 1,396 milisekundy.
Dlaczego istnieje limit? Siła odśrodkowa. Jeśli gwiazda neutronowa wiruje znacznie szybciej, siła działająca na jej równiku pokonuje grawitację. Gwiazda sama by się rozerwała. Prędkość ucieczki z powierzchni gwiazdy neutronowej jest o połowę mniejsza od prędkości światła. Przyciąganie grawitacyjne jest tak silne. Jednak gwiazdy te działają na granicy teoretycznej granicy.
Pulsary milisekundowe powstają zwykle w układach podwójnych gwiazd. Gwiazda neutronowa akreuje materię od swojego towarzysza po supernowej. Ta dodatkowa masa i moment pędu powodują jego obrót. To jak łyżwiarz figurowy trzymający ręce blisko ciała, ale w skali galaktycznej.
Zakłócenia i fale grawitacyjne
Pulsary zwalniają. Bardzo powolny. Zwykle jedna milionowa sekundy na rok.
To spowolnienie pozwala astronomom obliczyć „charakterystyczny wiek”. Bierzesz bieżący okres i dzielisz go przez tempo zwalniania. To jest przybliżony szacunek. Czasami pokrywa się to z rzeczywistym wiekiem. Charakterystyczny wiek Kraba Pulsara, urodzonego w wyniku supernowej w 1054 r., wynosi 1240 lat. Jest blisko.
Czasem się myli. Pulsar J0205+6449 powstał w 1181 r. n.e. Jego charakterystyczny wiek to 5390 lat. To jest bardzo różne.
Ponieważ spowolnienie jest tak stopniowe, obiekty te są niezwykle dokładnymi zegarami. A dzięki tak silnym polom grawitacyjnym są idealnymi obiektami do testowania teorii grawitacji.
W 1993 roku Joseph Taylor i Russell Hulse otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki. Badali pulsar PSR 1913+16. Znajduje się na bliskiej orbicie z inną gwiazdą neutronową. Grawitacja obu gwiazd zakłóca regularność sygnałów radiowych. Mierząc te zmiany, Taylor i Hulse zaobserwowali, że gwiazdy wirują coraz szybciej na zwężającej się orbicie.
Tracili energię. Jedynym wyjaśnieniem były fale grawitacyjne. Było to pierwsze eksperymentalne potwierdzenie fal przewidzianych przez Alberta Einsteina w jego ogólnej teorii względności.
Potem pojawiają się usterki.
Usterka to nagły skok w okresie pulsara. Przyspiesza, a następnie stopniowo zwalnia z powrotem do wartości sprzed usterki. Dzieje się tak z powodu „trzęsień gwiazd”. Twarda żelazna skorupa gwiazdy pęka. Lub zmienia się połączenie między skorupą a płynnym jądrem wewnętrznym. Zwykle jądro wewnętrzne obraca się szybciej niż skorupa. Czasem dopada ją kora. Albo się ślizga. Czas się zmienia.
Używamy tych usterek do badania wewnętrznej struktury gwiazd, których nie możemy zobaczyć. Mapujemy to, co niewidzialne, obserwując migotanie światła.
„Te szybkości rotacji są bliskie teoretycznej granicy pulsara, ponieważ gwiazda neutronowa wirująca zaledwie cztery razy szybciej zostałaby rozerwana”.
Dziwnie jest myśleć, że śmierć gwiazdy może stać się narzędziem do pomiaru samego czasu. Albo udowodnienie, że Einstein miał rację dziesiątki lat przed wykryciem zmarszczek w czasoprzestrzeni. Mgławica Krab świeci. Pulsary milisekundowe tykają. A my po prostu słuchamy.
W kosmosie wciąż istnieją pulsary ciche radiowo. Nie wiemy, gdzie oni wszyscy są. Droga Mleczna jest ogromna. Wszechświat jest jeszcze większy. A latarnie nadal się obracają.
Pulsary Krab i Vela to nie tylko bączki. Są to „wampiry energetyczne”, które tak szybko tracą prędkość obrotową, że straty energii objawiają się w całym spektrum elektromagnetycznym. To nie jest tylko teoria. To obserwowalna rzeczywistość, migająca w naszych detektorach co milisekundę.
Weźmy pulsar Kraba. Na zdjęciach optycznych wygląda jak skromna gwiazda o jasności 16mag, zlokalizowana w sercu Mgławicy Krab. Ale jeśli przyjrzysz się uważnie, światło nie tylko migocze – ono pulsuje. Astronomowie z Obserwatorium Stewarda w Arizonie zarejestrowali to zachowanie w 1968 roku, wkrótce po pierwszym odkryciu radia. Światło widzialne miga z tą samą częstotliwością, co fale radiowe. Pulsar emituje również regularne impulsy promieni rentgenowskich i gamma. To jest latarnia wielofalowa.
Następnie jest pulsar Vela. W świetle widzialnym jest znacznie słabsza, ma jasność około 24 mag. Obserwacja jej wymaga poważnego sprzętu. Ujawniły to dokładne poszukiwania przeprowadzone w 1977 roku za pomocą dużego teleskopu anglo-australijskiego w Parkes. Vela pulsuje również w zakresie rentgenowskim. Ale jego głównym osiągnięciem jest promieniowanie gamma. Jest to najpotężniejsze źródło takiego promieniowania na całym niebie. Regularne, przewidywalne impulsy gamma.
Mechanika i anomalie akrecji
Nie wszystkie pulsary rentgenowskie podlegają tym samym zasadom. Niektóre z nich to pulsary „akreujące”. Występują w systemach dualnych. Gwiazda neutronowa pobiera materię z gwiazdy towarzyszącej. Substancja ta opada wzdłuż linii pola magnetycznego, uderzając w magnetyczne czapy polarne. Uderzenie uwalnia promienie rentgenowskie. To kosmiczna trajektoria zderzenia.
Następnie jest klasa „anomalnych” pulsarów. Są niezwykłe. Ich okresy przekraczają pięć sekund. Rozbłyskują w nieprzewidywalny sposób pod wpływem promieniowania rentgenowskiego. Często kojarzone są z pozostałościami supernowych. Obiekty te powstają z silnie namagnesowanych gwiazd neutronowych, znanych jako magnetary. Ich pola magnetyczne wahają się od 10^14 do 10^15 gausów. To niesamowicie potężne.
Magnetary te pokrywają się również z inną grupą: wzmacniaczami miękkiego promieniowania gamma. Nie tylko pulsują. Eksplodują. Powtarzające się rozbłyski promieni gamma oświetlają przestrzeń chaotycznymi błyskami.
Tylko tajemnica promieniowania gamma
Niektóre pulsary w ogóle nie emitują fal radiowych. Świecą tylko w zakresie gamma. Kosmiczny Teleskop Fermiego odkrył ten obszar na nowe sposoby. W 2008 roku odkrył pierwszy taki pulsar wewnątrz pozostałości po supernowej CTA 1. Od tego czasu dodał do listy jedenaście kolejnych obiektów.
Mechanizm promieniowania jest tutaj sprzeczny ze standardowymi modelami. Pulsary radiowe odbierają sygnał z wiązek cząstek emitowanych z biegunów magnetycznych. Pulsary emitujące tylko w zakresie promieniowania gamma działają inaczej. Promieniowanie występuje daleko od powierzchni gwiazdy neutronowej. Fizyka stojąca za mechanizmem promieniowania szczelinowego pozostaje tajemnicą.
Wiemy, że istnieją. Możemy je policzyć. Jednak dokładny proces fizyczny, który generuje te impulsy promieniowania gamma, jest nadal nieznany. Silnik pracuje, światła migają, ale wciąż domyślamy się mechaniki tego procesu.
