Pulsarer: Hurtigroterende neutronstjerner med præcise pulser
Opdag pulsarer: hurtigt roterende neutronstjerner med præcise elektromagnetiske pulser fra millisekunder til sekunder — lær om spin, fyrtårnseffekt og observationsteknikker.
Pulsarer er neutronstjerner, der drejer hurtigt rundt og udsender en enorm elektromagnetisk stråling i en smal stråle. Neutronstjerner er ekstremt tætte — typisk med masser omkring én til to gange Solens masse samlet i en radius på kun ~10–12 km — og har meget korte, regelmæssige spins. Dette giver et meget præcist interval mellem pulserne, der varierer fra ca. millisekunder til sekunder for en enkelt pulsar. Pulsen kan kun ses, hvis Jorden befinder sig tæt nok på strålens retning, på samme måde som man kun kan se et fyrtårn, når strålen skinner i ens retning.
Hvordan opstår pulsarer?
Pulsarer dannes, når en tung stjerne eksploderer som en supernova og den centrale kerne kollapser til en neutronstjerne. Under kollapset bevares den oprindelige stjernes drejemoment, så den nye neutronstjerne roterer meget hurtigt. Samtidig forstærkes stjernens magnetfelt til ekstremt høje værdier. Kombinationen af hurtig rotation og et kraftigt magnetfelt accelererer elektrisk ladede partikler, som udsender stråling langs magnetaksens retning — det er denne stråling, vi observerer som pulser.
Hvorfor pulserer de?
Pulserne følger stjernens rotation. Hvis magnetaksen ikke er sammenfaldende med rotationsaksen, virker det som et kosmisk fyrtårn: stråle-lignende emissioner svejfer rundt i rummet, og en observatør ser korte, periodiske udbrud, når strålen peger mod dem. Pulserne er ofte ekstremt regelmæssige, og mange pulsarer fungerer som naturens mest stabile "ure".
Typer af pulsarer
- Normale pulsarer: Rotationstider fra ~0,1 til flere sekunder; unge pulsarer kan være meget energirige og ses tydeligt i radio, røntgen og gamma.
- Millisekund-pulsarer: Rotationstider på få millisekunder. Disse er ofte "recycled" — de er blevet accelereret ved at akkumulere materiale og drejehastighed fra en ledsagerstjerne i et binært system.
- Magnetarer: En særlig klasse med ekstremt stærke magnetfelter (op til 10^15 gauss). De udsender kraftige røntgen- og gammaudbrud, og deres emission adskiller sig fra klassiske radiopulsarer.
Angivelse af rotation og energitab
Pulsarer mister gradvist rotationsenergi gennem emission af elektromagnetisk stråling og partikelvind; det kaldes "spin-down". Denne opbremsning kan måles meget nøjagtigt. Nogle pulsarer viser pludselige ændringer i rotationshastighed, kaldet glitches, som menes at skyldes indre processer i neutronstjernen (fx superfluidisk indre, momentoverførsel mellem lag).
Observationer og bølgelængder
Pulsarer kan observeres over et bredt spektrum: radio er den mest kendte bølgelængde for klassiske pulsarer, men mange udsender også synligt lys, røntgen- og gamma-stråling. Pulsarens omgivelser kan danne en pulsar wind nebula, hvor partikelvinden interagerer med det omgivende medium og skaber tydelige emissioner i røntgen og radio.
Betydning i videnskaben
- Pulsarer bruges som præcise tidtagere i rummet — pulsar-timing kan måle små ændringer i rotationstidspunktet og dermed studere relativistiske effekter.
- Binære pulsarer har givet stærke tests af Einsteins almene relativitetsteori; Hulse–Taylor-pulsaren var et tidligt eksempel, hvor tab af orbital energi matchede forudsigelsen om tyngdebølgetab.
- Pulsar-timing arrays anvendes i jagten på lavfrekvente tyngdebølger fra massive sorte hulparringer.
- Pulsarer bidrager til forståelsen af stof ved ekstrem tæthed, superfluiditet, og magnetiske felters rolle i kompakte objekter.
Forskere, herunder forskere fra institutioner som Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics, har fremhævet, at pulsarer fungerer som ekstremt præcise kosmiske ure og samtidig som laboratorier for fysik under ekstreme forhold. Ved at kombinere observationer over forskellige bølgelængder og tidsmålinger kan astronomer afdække både pulsarens indre struktur og de relativistiske systemer, de indgår i.
Endelig bemærkning: Selv om vi kun ser pulserne, når strålen peger mod os, findes der mange pulsarer i Mælkevejen, og nye opdages løbende med bedre radioteleskoper og røntgen-/gammarumteleskoper.
Sammensat optisk/røntgenbillede af krabbetågen. Det viser den energi, der kommer fra den omkringliggende tåge, og som skyldes magnetfelter og partikler fra den centrale pulsar.
Vela Pulsar, en neutronstjerne, som er resterne af en stjerne efter en supernova (en stor eksplosion af en stjerne). Den flyver gennem rummet, skubbet af stof, der er kastet fra et af de punkter, hvor neutronstjernen drejer.
Opdagelse
Den første pulsar blev opdaget i 1967. Den blev opdaget af Jocelyn Bell Burnell og Antony Hewish. De arbejdede på universitetet i Cambridge. Den observerede emission havde pulser, der var adskilt af 1,33 sekunder. Pulserne kom alle fra det samme sted på himlen. Kilden holdt sig til den sidereale tid. I første omgang forstod de ikke, hvorfor pulsarer har en regelmæssig ændring i strålingsstyrken. Ordet pulsar er en forkortelse for "pulserende stjerne".
Denne oprindelige pulsar, som nu kaldes CP 1919, producerer radiobølgelængder, men senere har man fundet ud af, at pulsarer også producerer stråling i røntgen- og/eller gammastrålingens bølgelængder.
Nobelpriser
I 1974 blev Antony Hewish den første astronom, der fik Nobelprisen i fysik. Der opstod kontroverser, fordi han fik prisen, mens Bell ikke fik den. Hun havde gjort den første opdagelse, mens hun var hans ph.d.-studerende. Bell hævder ikke at være bitter på dette punkt og støtter Nobelpriskomiteens beslutning. "Nogle mennesker kalder det No-Bell-prisen, fordi de føler så stærkt, at Jocelyn Bell Burnell burde have fået del i prisen".
I 1974 opdagede Joseph Hooton Taylor Jr. og Russell Hulse for første gang en pulsar i et binært system. Denne pulsar kredser om en anden neutronstjerne med en omløbstid på kun otte timer. Einsteins generelle relativitetsteori forudsiger, at dette system bør udsende stærk gravitationsstråling, hvilket får kredsløbet til at trække sig sammen løbende, efterhånden som det mister kredsløbsenergi. Observationer af pulsaren bekræftede snart denne forudsigelse og gav det første bevis nogensinde for eksistensen af gravitationsbølger. I 2010 har observationer af denne pulsar fortsat været i overensstemmelse med den generelle relativitetsteori. I 1993 blev Nobelprisen i fysik tildelt Taylor og Hulse for opdagelsen af denne pulsar.
Jocelyn Bell Burnell's diagram
Sorter af pulsarer
Astronomer ved, at der findes tre forskellige slags pulsarer:
- Rotationsdrevne pulsarer, hvor strålingen skyldes tab af rotationsenergi; strålingen skyldes, at neutronstjernen sænker sin rotationshastighed.
- Akkretionsdrevne pulsarer (som er de fleste, men ikke alle røntgenpulsarer), hvor den potentielle tyngdeenergi fra stof, der falder ned på pulsaren, forårsager røntgenstråler, der kan modtages fra Jorden, og
- Magnetarer, hvor et ekstremt stærkt magnetfelt taber energi, hvilket forårsager strålingen.
Selv om alle tre slags objekter er neutronstjerner, er de ting, de kan ses gøre, og den fysik, der forårsager dette, meget forskellige. Men der er nogle ting, der ligner hinanden. For eksempel er røntgenpulsarer sandsynligvis gamle rotationspulsarer, der allerede har mistet det meste af deres energi, og som først kan ses igen, efter at deres binære ledsagere har udvidet sig, og stof fra dem er begyndt at falde ned på neutronstjernen. Akkretionsprocessen (stof, der falder ned på neutronstjernen) kan til gengæld give neutronstjernen nok vinkelmoment-energi til at ændre den til en rotationsdrevet millisekundspulsar.
Bruger
Præcist ur For nogle millisekundspulsarer er pulsationens regelmæssighed mere præcis end et atomur. Denne stabilitet gør det muligt at bruge millisekundpulsarer til at bestemme ephemeride tidspunkter eller til at bygge pulsarure.
Timing noise er betegnelsen for de roterende uregelmæssigheder, der observeres i alle pulsarer. Denne tidsstøj kan observeres som tilfældige vandringer i pulsfrekvensen eller -fasen. Det er ukendt, om timing støj er relateret til pulsar glitches.
Andre anvendelser
Studiet af pulsarer har givet mange anvendelsesmuligheder inden for fysik og astronomi. Blandt de vigtigste eksempler kan nævnes beviset for gravitationsstråling som forudsagt af den generelle relativitetsteori og det første bevis for eksoplaneter. I 1980'erne målte astronomer pulsarstråling for at bevise, at det nordamerikanske og det europæiske kontinent er ved at glide væk fra hinanden. Denne bevægelse er et bevis på pladetektonik.
Vigtige pulsarer
- Magnetaren SGR 1806-20 producerede den største energiudladning i galaksen, der nogensinde er set i et eksperiment den 27. december 2004
- PSR B1931+24 "... ligner en normal pulsar i omkring en uge og "slukker" derefter i omkring en måned, før den igen producerer pulser. [...] denne pulsar bliver langsommere hurtigere, når pulsaren er tændt, end når den er slukket. [...] måden, den bremser sig på, må have noget at gøre med radioenergien og de ting, der forårsager den, og den ekstra opbremsning kan forklares ved, at en vind af partikler forlader pulsarens magnetfelt og sænker hastigheden, hvormed den drejer. [2]
- PSR J1748-2446ad er med sine 716 Hz (antal omdrejninger pr. sekund) den hurtigst roterende pulsar, som man kender.
Andre kilder
- Lorimer D.R. & M. Kramer 2004. Håndbog om pulsarastronomi. Cambridge Observing Handbooks for Research Astronomers.
Søge