Pulsāri: rotējošas neitronu zvaigznes un to regulārie impulsi

Uzzini par pulsāriem — rotējošām neitronu zvaigznēm, kuru precīzie impulsi un bākas efekts atklāj zvaigžņu iekšējo struktūru, gravitāciju un kosmisko laiku.

Pulsāri ir neitronu zvaigznes, kas strauji rotē un rada milzīgu elektromagnētisko starojumu šaurā staru kūlī. Neitronu zvaigznes ir ārkārtīgi blīvas — to masa parasti ir aptuveni 1–2 Saules masas, bet rādiuss tikai apmēram 10–12 km — un tām ir īsi, regulāri griezieni. Tas rada ļoti precīzus intervālus starp impulsiem, kas atsevišķiem pulsāriem svārstās no aptuveni milisekundes līdz sekundēm. Impulsu var redzēt tikai tad, ja Zeme atrodas pietiekami tuvu staru kūļa virzienam; līdzīgi kā jūs varat redzēt bāku tikai tad, ja stars spīd jūsu virzienā.

Impulsi sakrīt ar zvaigznes pagriezieniem. Griešanās izraisa tā saukto bākas efektu, jo starojums ir redzams tikai īsos intervālos. Verners Bekers (Werner Becker) no Maksa Planka Ārpuszemes fizikas institūta nesen uzsvēra, ka pulsāri ir vieni no precīzākajiem kosmiskiem "pulksteņiem", kuru ilgtermiņa uzvedība sniedz ieskatu gan zvaigžņu iekšējā uzbūvē, gan gravitācijas efektiem apkārtējā telpā.

Kā pulsāri veidojas un kā darbojas to impulsu mehānisms

Pulsāri parasti veidojas no masīvām zvaigznēm, kas eksplodē kā supernovas — to kodols sabrūk un izveidojas neitronu zvaigzne. Ja jaunizveidotajai neitronu zvaigznei ir liels leņķiskais impulss un stiprs magnētiskais lauks, tā var radīt šauru, koncentrētu starojuma kūli pa magnētiskā lauka asi. Ja magnētiskā ass nav pilnīgi saskaņota ar rotācijas asi, šo kūli kosmosā griež rotējošā zvaigzne — un no Zemes mēs katru reizi redzam īsu impulsu, kad kūlis "norīs" mūsējā virzienā.

Galvenās īpašības un skaitliskie rādītāji

• Rotācijas periodi: no aptuveni 1,4 milisekundēm (ātrākie — millisekunžu pulsāri) līdz vairākiem sekundēm.
• Magnētiskie lauki: tipiski diapazonā 10^8–10^13 gausiem (G), bet magnētiem līdzīgi objekti — magnetari — var sasniegt 10^14–10^15 G.
• Blīvums: materiāls ir tik blīvs, ka viena kubikcentimetra masa var būt miljardiem tonnu.
• Spin-down: pulsāri lēnām zaudē rotācijas enerģiju, tāpēc to periodi pamazām palielinās; šo lēnojas ātrumu mēra ar perioda atvasinājumu (Ṗ).

Veidi un klasifikācija

Pastāv vairāki pulsāru veidi atbilstoši to īpašībām un novērojumu diapazonam:

• Radiopulsāri: redzami galvenokārt radio viļņu garumos — tradicionālie pulsāri, ko atrada pirmie observatori.
• Millisekunžu pulsāri: īpaši ātri rotējoši pulsāri ar ļoti stabilu periodu; bieži veidojas, kad neitronu zvaigzne "atjauninās" materiāla pārnešanas procesā binārā sistēmā.
• X un gamma pulsāri: dažus pulsārus atklāj galvenokārt X vai gamma starojumā — tie bieži ir jauni vai ļoti aktīvi objekti (piemēram, Kraba pulsārs).
• Magnetari: īpaša klase ar izteikti spēcīgu magnētisko lauku; tie rāda uzliesmojumus X un gamma diapazonā.

Impulsu precizitāte, anomālijas un lietojumi

Daži pulsāri, īpaši millisekunžu pulsāri, ir tikdaudz precīzi, ka tos izmanto kā kosmiskus pulksteņus un kā instrumentus gravitācijas testiem. Nozīmīgākie pielietojumi:

• Testi vispārīgajai relativitātei, izmantojot bināro pulsāru sistēmu laikapstākļu novērojumus (slavenākais piemērs — Halsa—Taylor pulsārs, PSR B1913+16).
• Pulsāru laika matricas (pulsar timing arrays) meklē ļoti zemfrekvences gravitācijas viļņus, kas rodas no supermasīvu melno caurumu pāru mijiedarbībām.
• Izpēte par neitronu zvaigžņu iekšējo uzbūvi un stāvokli ārkārtīgā blīvumā (bāzes stāvokļa un supratecības ietekme uz riteni un "glitches").

Glitches, trokšņi un binārās sistēmas

Dažiem pulsāriem novēro tā sauktos "glitches" — pēkšņas rotācijas palēninājuma vai paātrinājuma izmaiņas (biežāk nelieli spin-up), kas liecina par iekšējām pārejas procesiem, piemēram, superfluīdu kodola dinamikā. Ir arī tā sauktie "timing noise" — ilgtermiņa nelīdzsvarotības un neregularitātes, kuras joprojām pētī. Binārie pulsāri, īpaši tie, kas atrodas ciešās orbītās ar baltajiem punduriem vai citiem neitronu zvaigznēm, ir īpaši vērtīgi — tie palīdz noteikt masas, sistēmas evolūciju un relativistiskos efektus.

Novērošana un daudzjoslu starojums

Pulsāri tiek pētīti plašā viļņu garumu spektrā — radio, infrasarkanajā, optiskajā, rentgena un gamma diapazonā. Dažiem pulsāriem impulsi izpaužas citos spektrālos diapazonos un to profili var atšķirties ar frekvenci. Polarizācija un pulsa forma sniedz informāciju par magnētiskā lauka konfigurāciju un starojuma mehānismiem. Pētījumi notiek ar radioteleskopiem (piem., FAST, Arecibo agrāk, Parkes) un rentgena/gamma teleskopiem (piem., Chandra, XMM-Newton, Fermi).

Kādi ir galvenie atklājumi un nākotnes izaicinājumi

• Pirmie pulsāri tika atklāti 1967. gadā — to atklāja Jocelyn Bell Burnell un Antony Hewish, kas atklāja regulārus radio impulsus no neparasta objekta.
• Millisekunžu pulsāru atklāšana un saprašana par to "atgriešanos" binārajās sistēmās uzskatāmi paplašināja pulsāru lomu kā precīzus mērinstrumentus.
• Nākotnē gaidāms, ka jauni instrumenti (piem., SKA — Square Kilometre Array) un pastiprinātas pulsāru laika matricas ievērojami uzlabos mūsu spēju atklāt zemu frekvenču gravitācijas viļņus un pētīt smagās matērijas stāvokli neitronu zvaigžņu iekšienē.

Kopsavilkumā — pulsāri ir unikāli kosmiski laboratoriji: tie vienlaikus sniedz informāciju par zvaigžņu evolūciju, ekstrēmiem magnētiskajiem laukiem, kodolfiziku ļoti lielā blīvumā un par pašiem pamatiem gravitācijas teorijā. To regulārie impulsi padara tos par neaizstājamu instrumentu gan astrofizikā, gan fundamentālajā fizikā.

Atklājums

Pirmais pulsārs tika atklāts 1967. gadā. To atklāja Džočelins Bells Bērnels un Entonijs Hivišs. Viņi strādāja Kembridžas Universitātē. Novēroto starojumu šķīra 1,33 sekunžu impulsi. Visi impulsi nāca no vienas un tās pašas vietas debesīs. Avots atbilda zvaigžņu laikam. Sākumā viņi nesaprata, kāpēc pulsāriem ir regulāras starojuma stipruma izmaiņas. Vārds pulsārs ir saīsinājums no "pulsējošā zvaigzne".

Šis sākotnējais pulsārs, ko tagad sauc par CP 1919, rada radioviļņus, taču vēlāk tika konstatēts, ka pulsāri rada starojumu arī rentgena un/vai gamma staru viļņu garumā.

Nobela prēmijas

1974. gadā Entonijs Hivišs kļuva par pirmo astronomu, kam tika piešķirta Nobela prēmija fizikā. Pretrunas izraisīja tas, ka viņam balva tika piešķirta, bet Bellam - ne. Viņa bija izdarījusi sākotnējo atklājumu, kad bija viņa doktorantūras studente. Bells apgalvo, ka šajā jautājumā viņam nav rūgtuma, un atbalsta Nobela prēmijas komitejas lēmumu. "Daži cilvēki to dēvē par balvu bez Bella, jo viņi ir pārliecināti, ka balva bija jāsaņem arī Džočelīnai Bellai Burnellai".

1974. gadā Džozefs Hutons Teilors juniors un Rasels Hulss pirmo reizi atklāja pulsaru binārajā sistēmā. Šis pulsārs riņķo ap citu neitronu zvaigzni ar orbitālo periodu tikai astoņas stundas. Einšteina vispārējā relativitātes teorija paredz, ka šai sistēmai būtu jāizstaro spēcīgs gravitācijas starojums, kas izraisa nepārtrauktu orbītas saraušanos, jo tā zaudē orbitālajā enerģiju. Pulsara novērojumi drīz vien apstiprināja šo prognozi, sniedzot pirmos pierādījumus par gravitācijas viļņu eksistenci. Kopš 2010. gada šā pulsāra novērojumi joprojām atbilst vispārējai relativitātes teorijai. Par šī pulsāra atklāšanu 1993. gadā Teiloram un Hulsam tika piešķirta Nobela prēmija fizikā.

Jocelyn Bell Burnell diagramma

Meklēt pēc burta