Przejdź do treści
Strona główna

Pulsary: definicja, budowa i mechanizm emisji promieniowania

Pulsary: czym są gwiazdy neutronowe, ich budowa i mechanizm emisji promieniowania — klarowne wyjaśnienie działania, impulsów i obserwacji dla każdego czytelnika.

Autor: Utworzono: Zaktualizowano:

Pulsary to gwiazdy neutronowe, które szybko wirują i wytwarzają ogromne promieniowanie elektromagnetyczne o wąskiej wiązce. Gwiazdy neutronowe są wyjątkowo gęste, mają masę rzędu ~1,4 masy Słońca upakowaną w promieniu ~10–12 km, a ich obroty mogą być bardzo krótkie i regularne. Takie wirowanie powoduje powstanie bardzo precyzyjnych odstępów pomiędzy impulsami — od około milisekund (pulsary milisekundowe) do kilku sekund (pulsary młode). Impuls jest widoczny tylko wtedy, gdy Ziemia znajduje się w drodze wiązki emitowanej przez pulsar; podobnie jak latarni morskiej, źródło staje się widoczne jedynie gdy „promień” świeci w naszym kierunku.

Werner Becker z Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics zwrócił uwagę, że dzięki niezwykłej stabilności okresów rotacji pulsary są jednymi z najdokładniejszych „kosmicznych zegarów” i pozwalają badać zarówno właściwości materii w skrajnych warunkach, jak i otoczenie międzygwiazdowe.

Galeria obrazów

10 Obrazy
File:Chandra-crab.jpg
simple.wikipedia.org · Public domain

Budowa i podstawowe właściwości

  • Rozmiar i masa: masa typowego pulsara to ~1,2–2 mas Słońca, promień ~10–12 km.
  • Gęstość: materia ma gęstość znacznie przekraczającą jądro atomowe — pojedyncza łyżeczka takiej materii ważyłaby miliardy ton.
  • Pole magnetyczne: bardzo silne, zwykle od ~10^8 do ~10^13 G; u magnetarów osiąga wartości ~10^14–10^15 G.
  • Okres obrotu: od ~1,4 ms (najkrótsze znane) do kilku sekund; spowolnienie rotacji następuje wskutek utraty energii rotacyjnej.

Mechanizm emisji promieniowania

Podstawowy model opisuje pulsary jako obiekty, których oś magnetyczna jest nachylona względem osi rotacji. Elektrony i pozytony przyspieszane w silnych polach magnetycznych emitują promieniowanie wzdłuż linii pola — tworzy się wąska wiązka skierowana w stronę biegunów magnetycznych. Główne elementy mechanizmu emisji:

  • Model latarni morskiej: wiązka przemieszcza się wraz z rotacją gwiazdy i co cykl „prześlizguje się” po niebie; obserwujemy impuls, gdy trafia w Ziemię.
  • Strefy emisji: różne modele (polar cap, slot gap, outer gap) umiejscawiają źródła emisji radiowej i energetycznej w różnych rejonach magnetosfery pulsara.
  • Procesy promieniotwórcze: w paśmie radiowym dominują mechanizmy koherentne (dokładny mechanizm koherentnej emisji radiowej pozostaje przedmiotem badań), w zakresie rentgenowskim i gamma znaczącą rolę odgrywają promieniowanie krzywiznowe (curvature), synchrotronowe i inverse Compton od przyspieszonych cząstek.
  • Kaskady par: silne pola magnetyczne sprzyjają tworzeniu par elektron–pozyton, co utrzymuje magnetosferę i procesy emisji.

Rodzaje pulsarów

  • Pulsary radiowe: najliczniej obserwowane, dają impulsy w paśmie radiowym.
  • Pulsary milisekundowe (MSP): bardzo szybkie (okresy rzędu milisekund), zwykle „recyklingowane” przez akrecję materii z towarzysza w układzie podwójnym.
  • Pulsary młode: silnie świecące w promieniach X i gamma, często towarzyszą im mgławice pulsarowe (np. pulsar Kraba).
  • Magnetary: ekstremalnie silne pole magnetyczne, emisja głównie w X i gamma, wykazują okresy zwykle kilka sekund — bywają traktowane oddzielnie, ale są blisko spokrewnione z pulsarami.

Ewolucja i pochodzenie

Pulsary powstają w wyniku zapadnięcia grawitacyjnego masywnej gwiazdy i wybuchu supernowej — w wyniku tego procesu rdzeń gwiazdy zostaje sprężony do postaci gwiazdy neutronowej. W układach podwójnych możliwa jest późniejsza akrecja materii na gwiazdę neutronową, co prowadzi do przyspieszenia rotacji i powstania pulsarów milisekundowych.

Obserwacje i znaczące zjawiska

  • Precyzyjne pomiary czasu: pulsary pozwalają na pomiary z niezwykłą stabilnością; dzięki temu są wykorzystywane do badań astrometrii, nawigacji i testów fundamentalnych teorii grawitacji.
  • Glitche: nagłe zmiany okresu rotacji (tzw. glitch) obserwowane u młodych pulsarów, związane z dynamiką wnętrza gwiazdy neutronowej.
  • Dispersion measure (DM): rozproszenie sygnału radiowego przez ośrodek międzygwiazdowy pozwala ocenić gęstość i strukturę materii pośredniczącej.
  • Pulsar timing arrays: grupy bardzo stabilnych pulsarów używane do poszukiwania niskoczęstotliwościowych fal grawitacyjnych (np. z supermasywnych czarnych dziur).
  • Układy podwójne: pulsary w układach z towarzyszami (np. Hulse–Taylor) umożliwiły potwierdzenie emisji fal grawitacyjnych zgodnej z OGTR.

Przykłady i towarzyszące struktury

Do znanych pulsarów należą m.in. pulsar Kraba (pozostałość po supernowej z 1054 r.) i pulsar Vela. Wokół niektórych pulsarów występują mgławice pulsarowe (pulsar wind nebulae) — struktury powstające wskutek oddziaływania wiatrów cząstek z otoczeniem.

Zastosowania naukowe

  • Testy teorii grawitacji i pomiary własności układów binarnych.
  • Badanie wnętrza gwiazd neutronowych i stanu materii przy ekstremalnych gęstościach.
  • Tomografia ośrodka międzygwiazdowego za pomocą pomiarów rozproszenia sygnałów.
  • Potencjalne zastosowania w nawigacji kosmicznej dzięki dokładnym „zegarm” pulsarów.

Pulsary są jednym z najciekawszych obiektów astrofizycznych — łączą ekstremalne warunki fizyczne, bogactwo zjawisk promieniotwórczych i praktyczne zastosowania obserwacyjne. Mimo intensywnych badań wiele szczegółów mechanizmu emisji, zwłaszcza w zakresie koherentnej emisji radiowej, wciąż pozostaje przedmiotem aktywnych badań naukowych.

Złożony obraz optyczny i rentgenowski Mgławicy Krab. Widać na nim energię pochodzącą z otaczającej mgławicy, która jest spowodowana przez pola magnetyczne i cząstki z centralnego pulsara.
Złożony obraz optyczny i rentgenowski Mgławicy Krab. Widać na nim energię pochodzącą z otaczającej mgławicy, która jest spowodowana przez pola magnetyczne i cząstki z centralnego pulsara.
Pulsar Vela, gwiazda neutronowa będąca pozostałością po supernowej (wielkiej eksplozji gwiazdy). Leci przez przestrzeń, popychana przez materię wyrzucaną z jednego z punktów, w których gwiazda neutronowa się obraca.
Pulsar Vela, gwiazda neutronowa będąca pozostałością po supernowej (wielkiej eksplozji gwiazdy). Leci przez przestrzeń, popychana przez materię wyrzucaną z jednego z punktów, w których gwiazda neutronowa się obraca.

Discovery

Pierwszy pulsar został odkryty w 1967 roku. Został on odkryty przez Jocelyn Bell Burnell i Antony'ego Hewisha. Pracowali oni na Uniwersytecie w Cambridge. Zaobserwowana emisja miała impulsy oddzielone od siebie o 1,33 sekundy. Wszystkie impulsy pochodziły z tego samego miejsca na niebie. Źródło zachowywało czas gwiazdowy. Początkowo nie rozumieli, dlaczego pulsary mają regularne zmiany w sile promieniowania. Słowo pulsar jest skrótem od "pulsująca gwiazda".

Ten oryginalny pulsar, obecnie nazywany CP 1919, emituje promieniowanie o długości fal radiowych, ale później okazało się, że pulsary wytwarzają również promieniowanie o długości fal rentgenowskich i/lub gamma.

Nagrody Nobla

W 1974 r. Antony Hewish został pierwszym astronomem, który otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki. Kontrowersje pojawiły się, ponieważ otrzymał on nagrodę, podczas gdy Bell nie. Dokonała ona wstępnego odkrycia, gdy była jego doktorantką. Bell nie kryje rozgoryczenia z tego powodu, popierając decyzję komitetu przyznającego Nagrodę Nobla. "Niektórzy nazywają to nagrodą No-Bell, ponieważ czują się tak mocno, że Jocelyn Bell Burnell powinna była mieć udział w nagrodzie".

W 1974 r. Joseph Hooton Taylor Jr. i Russell Hulse po raz pierwszy odkryli pulsara w układzie podwójnym. Pulsar ten krąży wokół innej gwiazdy neutronowej z okresem orbitalnym wynoszącym zaledwie osiem godzin. Ogólna teoria względności Einsteina przewiduje, że układ ten powinien emitować silne promieniowanie grawitacyjne, powodujące ciągłe kurczenie się orbity w miarę utraty energii orbitalnej. Obserwacje pulsara wkrótce potwierdziły te przewidywania, dostarczając pierwszych w historii dowodów na istnienie fal grawitacyjnych. Od 2010 roku obserwacje tego pulsara nadal są zgodne z ogólną teorią względności. W 1993 roku Taylor i Hulse otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki za odkrycie tego pulsara.

Wykres Jocelyn Bell Burnell
Wykres Jocelyn Bell Burnell

Rodzaje pulsarów

Astronomowie wiedzą, że istnieją trzy różne rodzaje pulsarów:

  • Pulsary napędzane rotacją, gdzie promieniowanie jest spowodowane utratą energii rotacji; promieniowanie jest spowodowane spowolnieniem prędkości obrotowej gwiazdy neutronowej
  • Pulsary z napędem akrecyjnym (które są większością, ale nie wszystkimi pulsarami rentgenowskimi), gdzie grawitacyjnaenergia potencjalna materii opadającej na pulsar powoduje powstawanie promieniowania rentgenowskiego, które może być odbierane z Ziemi, oraz
  • Magnetary, gdzie ekstremalnie silne pole magnetyczne traci energię, co powoduje promieniowanie.

Chociaż wszystkie trzy rodzaje obiektów są gwiazdami neutronowymi, to rzeczy, które można zaobserwować w ich działaniu i fizyka, która to powoduje, są bardzo różne. Są jednak pewne rzeczy, które są do siebie podobne. Na przykład, pulsary rentgenowskie są prawdopodobnie starymi pulsarami rotacyjnymi, które straciły już większość swojej energii i mogą być ponownie dostrzeżone dopiero wtedy, gdy ich binarni towarzysze rozszerzyli się i materia z nich zaczęła opadać na gwiazdę neutronową. Proces akrecji (materia opadająca na gwiazdę neutronową) może z kolei nadać gwieździe neutronowej wystarczającą ilość energii momentu pędu, aby zmienić ją w zasilany rotacją pulsar milisekundowy.

Korzysta z

Precyzyjny zegar W przypadku niektórych pulsarów milisekundowych, regularność pulsacji jest bardziej precyzyjna niż zegar atomowy. Ta stabilność pozwala na wykorzystanie pulsarów milisekundowych do wyznaczania czasu efemeryd lub budowy zegarów pulsarowych.

Szum czasowy to nazwa nieregularności rotacyjnych obserwowanych u wszystkich pulsarów. Ten szum czasowy jest obserwowalny jako losowe wędrówki w częstotliwości lub fazie impulsu. Nie wiadomo, czy szum czasowy jest związany z glitchami pulsara.

Inne zastosowania

Badania pulsarów przyniosły wiele zastosowań w fizyce i astronomii. Do najważniejszych przykładów należy dowód na istnienie promieniowania grawitacyjnego przewidywanego przez ogólną teorię względności oraz pierwszy dowód na istnienie egzoplanet. W latach 80-tych astronomowie zmierzyli promieniowanie pulsara, aby udowodnić, że kontynenty północnoamerykański i europejski oddalają się od siebie. Ten ruch jest dowodem na istnienie tektoniki płyt.

Ważne pulsary

  • Magnetar SGR 1806-20 wytworzył największy wybuch energii w Galaktyce, jaki kiedykolwiek zaobserwowano podczas eksperymentu przeprowadzonego 27 grudnia 2004 r.
  • PSR B1931+24 "... wygląda jak normalny pulsar przez około tydzień, a następnie 'wyłącza się' na około miesiąc zanim znów zacznie wytwarzać impulsy. [...] ten pulsar zwalnia szybciej, gdy jest włączony niż gdy jest wyłączony. To dodatkowe spowolnienie może być wyjaśnione przez wiatr cząstek, który opuszcza pole magnetyczne pulsara i spowalnia jego obroty. [2]
  • PSR J1748-2446ad, z częstotliwością 716 Hz (razy obraca się na sekundę), jest najszybciej wirującym pulsarem, jaki jest znany.

Inne źródła

  • Lorimer D.R. & M. Kramer 2004. Podręcznik astronomii pulsarowej. Cambridge Observing Handbooks for Research Astronomers.

Powiązane artykuły

Autor

AlegsaOnline.com Pulsary: definicja, budowa i mechanizm emisji promieniowania

URL: https://pl.alegsaonline.com/art/80031

Udostępnij

Źródła