Pulzarji (pulsar): nevtronske zvezde, impulzi in opazovanje
Pulzarji: skrivnostne nevtronske zvezde z natančnimi impulzi — spoznajte njihovo delovanje, opazovanje in pomen za astrofiziko.
Pulzarji so nevtronske zvezde, ki se hitro vrtijo in proizvajajo ogromno elektromagnetno sevanje v ozkem snopu. Nevtronske zvezde so zelo goste in imajo kratke, pravilne rotacije. Zaradi tega je interval med impulzi zelo natančen in se pri posameznem pulzarju giblje od približno milisekund do sekund. Impulz lahko opazimo le, če je Zemlja dovolj blizu smeri žarka. Podobno kot lahko vidite svetilnik le, če žarek sveti v vašo smer.
Pulzi se ujemajo z obrati zvezde. Vrtenje povzroča učinek svetilnika, saj je sevanje vidno le v kratkih intervalih. Werner Becker z Inštituta Maxa Plancka za zunajzemeljsko fiziko je nedavno povedal, da so pulzarji naravni laboratoriji za preučevanje snovi in magnetizma v ekstremnih pogojih — gostota, magnetno polje in gravitacija pri nevtronskih zvezdah presegajo vse laboratorijske vrednosti na Zemlji.
Nastanek in osnovne lastnosti
Pulzar nastane, ko masivna zvezda po izbruhu supernove kolapsira v zelo kompaktno nevtronsko zvezdo. Ker se ohranja gibalni moment, se zvezda pri krčenju začne vrteti zelo hitro — podobno kot vrteča se drsalka, ki privzdigne roke. Nevtronske zvezde imajo tudi izjemno močna magnetna polja (10^8–10^15 gausov). Če magnetni in rotacijski osi nista poravnani, usmerjeno elektromagnetno sevanje iz magnetosfere tvori snop, ki ga zaznamo kot redne pulze, ko snop prečka naš pogled.
Vrste pulzarjev
- Radijski pulzarji: najpogosteje zaznani v radijskem delu spektra; imajo periode od milisekund do nekaj sekund.
- Milisekundni pulzarji: izjemno hitri (perioda nekaj milisekund), pogosto v binarnih sistemih; nastanejo z "zabatjanjem" (spin-up) prek prenosa mase od sopotnika.
- Magnetarji: pulzarju sorodne nevtronske zvezde z izjemno močnimi magnetnimi polji; pogosto opazni v rentgenskem in gama spektru in pokažejo sprotne izbruhe energetskih bliskov.
- Akrecijski pulzarji: v binarnih sistemih, kjer snov pada na nevtronsko zvezdo; sevanje je pogojeno z akrecijo in magnetnim poljem.
Mehanizem sevanja in stabilnost časa
Pulzarji oddajajo sevanje zaradi pospeševanja nabitih delcev v močnih magnetnih poljih. Ker je vir impulzov vrteča se cela masa z veliko zanesljivostjo, so nekateri pulzarji izredno stabilni časovni merilniki — njihove periode lahko merimo z natančnostjo primerljivo s sodobnimi atomski urami. Merjenje spremembe periode (periodni odvod) daje vpogled v izgubo rotacijske energije, oceno magnetnega polja in starost pulzarja (tako imenovana značilna starost).
Opazovanje pulzarjev
Pulzarje zaznavamo v različnih delih elektromagnetnega spektra: v radiju, rentgenskem in gama področju, le redko v vidni svetlobi. Radijski teleskopi, kot so Parkes, FAST, LOFAR, MeerKAT in drugi, igrajo ključno vlogo pri odkritju in spremljanju pulzarjev. Opazovanje vključuje merjenje časa prihoda pulzov (timing), analizo oblike pulza (pulse profile) in iskanje sprememb, kot so glitche (nenadne spremembe vrtljajev) ali dolgotrajno upočasnjevanje.
Znanstveni pomen in uporabe
- Pulzarji so naravni laboratoriji za preizkušanje teorij fizike v ekstremnih pogojih (silna gravitacija, kvantna magnetohidrodinamika).
- Precizno merjenje pulzov omogoča teste splošne teorije relativnosti, zlasti v binarnih sistemih (npr. dvojni pulzar PSR J0737−3039A/B).
- Pulzarji v pulzarnih timing nizih (pulsar timing arrays) se uporabljajo za iskanje nizkofrekvenčnih gravitacijskih valov iz združevanja supermasivnih črnih lukenj.
- Milisekundni pulzarji so tako stabilni, da se preučujejo kot potencialni naravni ure in celo kot podpora navigaciji v globokem vesolju.
Posebnosti in nepravilnosti
Čeprav so mnogi pulzarji zelo stabilni, pri nekaterih opazimo nepričakovane dogodke:
- Glitche — nenadne manjše skoke v vrtilni hitrosti, običajno pri mlajših pulzarjih; povezujejo se lahko z notranjimi spremembami v jedru nevtronske zvezde.
- Braking index — merilo, kako se spreminja hitrost upočasnjevanja; pogosto se razlikuje od preprostih teoretičnih napovedi, kar kaže na kompleksne mehanizme izgube energije.
- Spremenljivost snopa in profila — pri nekaterih pulzarjih se obliko ali moč pulza spreminjata s časom ali frekvenco opazovanja.
Kratek zgodovinski okvir
Prvi pulzar so odkrili leta 1967 Jocelyn Bell Burnell in Antony Hewish; prvi signal je bil znan kot CP 1919 (kasneje PSR B1919+21). Odkritje je odprlo novo polje v astronomiji in privedlo do hitrega razvoja teoretičnih in opazovalnih študij nevtronskih zvezd.
Pulzarji so zato ključni objekti sodobne astrofizike: združujejo ekstremne fizikalne razmere, preglednost kot natančni časovni signali in širok spekter opazovalnih pojavov, ki pomagajo razumeti življenje masivnih zvezd, lastnosti gostih snovi in gravitacijo v močnih poljih.
Sestavljena optična/X-žarkovna slika rakove meglice. Prikazuje energijo, ki prihaja iz okoliške meglice in jo povzročajo magnetna polja in delci osrednjega pulzarja.
Pulzar Vela, nevtronska zvezda, ki je ostanek zvezde po supernovi (veliki eksploziji zvezde). Leti skozi vesolje, saj jo potiska snov, ki jo vrže z ene od točk, kjer se nevtronska zvezda obrne.
Odkrivanje
Prvi pulzar je bil odkrit leta 1967. Odkrila sta ga Jocelyn Bell Burnell in Antony Hewish. Delala sta na Univerzi v Cambridgeu. Opazovano sevanje je imelo impulze, ki so bili med seboj ločeni za 1,33 sekunde. Vsi impulzi so prihajali z istega mesta na nebu. Vir se je držal zvezdnega časa. Sprva nista razumela, zakaj se pri pulzarjih moč sevanja redno spreminja. Beseda pulzar je kratica za "utripajočo zvezdo".
Ta prvotni pulzar, zdaj imenovan CP 1919, oddaja radijske valovne dolžine, vendar so kasneje ugotovili, da pulzarji oddajajo tudi rentgensko in/ali gama sevanje.
Nobelove nagrade
Antony Hewish je leta 1974 postal prvi astronom, ki je prejel Nobelovo nagrado za fiziko. Do polemike je prišlo, ker je nagrado prejel, Bell pa ne. Prvo odkritje je naredila, ko je bila njegova doktorska študentka. Bellova v zvezi s tem ne trdi, da bi bila užaljena, in podpira odločitev Nobelovega odbora za nagrado. "Nekateri ljudje ji pravijo "nagrada brez Bella", ker so prepričani, da bi morala nagrado prejeti tudi Jocelyn Bell Burnell.
Leta 1974 sta Joseph Hooton Taylor Jr. in Russell Hulse prvič odkrila pulzar v dvojnem sistemu. Ta pulzar kroži okoli druge nevtronske zvezde z obhodno dobo le osem ur. Einsteinova splošna teorija relativnosti predvideva, da bi moral ta sistem oddajati močno gravitacijsko sevanje, zaradi česar bi se morala orbita nenehno krčiti, saj izgublja orbitalno energijo. Opazovanja pulzarja so kmalu potrdila to napoved in zagotovila prvi dokaz o obstoju gravitacijskih valov. Od leta 2010 se opazovanja tega pulzarja še vedno ujemajo s splošno teorijo relativnosti. Leta 1993 sta Taylor in Hulse za odkritje tega pulzarja prejela Nobelovo nagrado za fiziko.
Diagram Jocelyn Bell Burnell
Vrste pulzarjev
Astronomi vedo, da obstajajo tri različne vrste pulzarjev:
- pulzarji, ki jih poganja vrtenje, pri katerih je sevanje posledica izgube rotacijske energije; sevanje je posledica upočasnjevanja hitrosti vrtenja nevtronske zvezde.
- pulzarji, ki jih poganja akrecija (to je večina rentgenskih pulzarjev, vendar ne vsi), pri katerih gravitacijska potencialna energija snovi, ki pade na pulzar, povzroči rentgenske žarke, ki jih je mogoče sprejeti z Zemlje, in
- Magnetarji, kjer izredno močno magnetno polje izgublja energijo, kar povzroča sevanje.
Čeprav so vse tri vrste objektov nevtronske zvezde, se njihove lastnosti in fizikalni vzroki zelo razlikujejo. Vendar so si nekatere stvari podobne. Na primer rentgenski pulzarji so verjetno stari pulzarji na rotacijski pogon, ki so že izgubili večino svoje energije in jih lahko ponovno vidimo šele po tem, ko so se njihove dvojne spremljevalke razširile in je snov iz njih začela padati na nevtronsko zvezdo. Proces akrecije (padanje snovi na nevtronsko zvezdo) lahko nevtronski zvezdi zagotovi dovolj energije kotnega momenta, da se spremeni v milisekundni pulzar na rotacijski pogon.
Uporablja
Natančna ura Pri nekaterih milisekundnih pulzarjih je rednost pulziranja natančnejša od atomske ure. Ta stabilnost omogoča uporabo milisekundnih pulzarjev pri določanju efemeridnega časa ali gradnji pulzarnih ur.
Časovni šum je ime za rotacijske nepravilnosti, ki jih opažamo pri vseh pulzarjih. Ta časovni šum je opazen kot naključno nihanje frekvence ali faze impulzov. Ni znano, ali je časovni šum povezan z utripanjem pulzarjev.
Druge uporabe
Raziskovanje pulzarjev je prineslo številne možnosti uporabe v fiziki in astronomiji. Glavni primeri vključujejo dokaz gravitacijskega sevanja, ki ga predvideva splošna teorija relativnosti, in prvi dokaz eksoplanetov. V osemdesetih letih 20. stoletja so astronomi z meritvami sevanja pulzarjev dokazali, da se severnoameriška in evropska celina oddaljujeta druga od druge. To gibanje je dokaz tektonike plošč.
Pomembni pulzarji
- Magnetar SGR 1806-20 je 27. decembra 2004 v poskusu povzročil največji izbruh energije v galaksiji, kar so jih kdaj koli videli.
- PSR B1931+24 "... je približno en teden videti kot običajen pulzar, nato pa se za približno en mesec 'izklopi', preden spet začne oddajati impulze. [...] ta pulzar se hitreje upočasnjuje, ko je vklopljen, kot ko je izklopljen. [...] način upočasnjevanja mora biti povezan z radijsko energijo in stvarmi, ki jo povzročajo, dodatno upočasnitev pa lahko razložimo z vetrom delcev, ki zapustijo magnetno polje pulzarja in upočasnijo hitrost njegovega vrtenja. [2]
- PSR J1748-2446ad je s 716 Hz (število obratov na sekundo) najhitreje vrteči se pulzar.
Drugi viri
- Lorimer D.R. & M. Kramer 2004. Handbook of pulsar astronomy. Cambridge Observing Handbooks for Research Astronomers.
Iskati