Pulsarai yra neutroninės žvaigždės, kurios greitai sukasi ir skleidžia didžiulę elektromagnetinę spinduliuotę siauru spinduliu. Neutroninės žvaigždės yra labai tankios, jų sukimasis trumpas ir taisyklingas. Dėl to tarp impulsų susidaro labai tikslūs intervalai, kurie atskiro pulsaro atveju svyruoja maždaug nuo milisekundžių iki sekundžių. Impulsą galima pastebėti tik tada, jei Žemė yra pakankamai arti spindulio krypties. Panašiai kaip švyturį galima pamatyti tik tada, kai spindulys šviečia jūsų kryptimi.

Impulsai sutampa su žvaigždės posūkiais. Sukimasis sukelia švyturio efektą, nes spinduliuotė matoma tik trumpais intervalais. Makso Planko nežemiškos fizikos instituto darbuotojas Verneris Bekeris (Werner Becker) neseniai sakė, kad pulso reguliarumas ir didelis signalo ryškis leidžia pulsarus naudoti kaip itin tikslius kosminius laikrodžius bei kaip instrumentus gravitacijos ir tarpgalaktinių aplinkų tyrimui.

Kilmė ir struktūra

Pulsarai susidaro kaip masyvių žvaigždžių branduolio žlugimo (supernovos) rezultatas. Tipinė pulsaro masė yra apie 1,2–2,0 Saulės masių, o spindulys — ~10–12 km, todėl tankis siekia 10^14–10^15 g/cm^3. Viduje dominuoja neutrinai, protonu ir elektronų netrūksta, o materija gali būti egzotiška (neutronų skystis, galimi hiperonai ar kvarkų fazės). Dėl mažo spindulio ir didelės masės sukimosi momentas išsaugojąsis lemia labai didelį kampinį greitį — kai kurios žvaigždės sukasi šimtus kartų per sekundę.

Sukimosi, magnetinis laukas ir spinduliuotė

Pulsarų stiprus magnetinis laukas (nuo maždaug 10^8 iki 10^15 G) kartu su greitu sukimusi sukelia elektromagnetinę spinduliuotę. Spinduliuotės modelis priklauso nuo magnetinio ašies ir sukimosi ašies pasvirimo: spindulys išeina iš magnetinių polių ir sukimosi metu „skenuoja“ erdvę. Impulsus dažniausiai aptinkame radijo bangose, tačiau kai kurie pulsarai stipriai spinduliuoja rentgeno ir gama diapazonuose.

Spinduliuotės generavimo mechanizmai apima kreivės spinduliuotę (curvature radiation), sinchrotroninę spinduliuotę ir dalelių porų kūrimą magnetosferoje bei prie poliarinių kepurių (polar cap) regionų. Svarbi riba — švytėjimo cilindras (light cylinder): atstumas nuo pulsaro centro, kur tangentinė greitis lygtų šviesos greičiui; už šios ribos magnetinės linijos nebegali atlikti sinchroniško sukimosi.

Matavimai ir pagrindinės charakteristikos

  • Sukimosi periodas (P): nuo ~1,4 ms iki kelių sekundžių. Greičiausiai žinomas pulsaras su periodu apie 1,4 ms.
  • Periodo kitimas (Ṗ): pulsarai lėtai sulėtėja (spin-down); iš P ir Ṗ apskaičiuojama orientacinė amžiaus ir magnetinio lauko vertė.
  • Charakteristinis amžius: tau ≈ P / (2 Ṗ). Tai apytikris pulsaro amžius, priklausantis nuo pradiniu sukimsiu ir stabdymo mechanizmų prielaidų.
  • Magnetinis laukas: apytikslė formulė B ≈ 3.2×10^19 × sqrt(P Ṗ) G leidžia įvertinti dipolinio lauko stiprumą paviršiuje.
  • Sukimosi energijos nuostolis: spinduliuotės ir dalelių srautų išmetimas išjudina pulsaro sukimosi energiją; spinduliuotės šviesumas gali būti susietas su spin-down luminosity Ė ≈ 4π^2 I Ṗ / P^3 (I — inercijos momentas, ~10^45 g cm^2).

Tipai ir specifiniai reiškiniai

Yra keli pulsarų tipai:

  • Radijo pulsarai — tradiciškai aptinkami radijo teleskopais; jų pulsai labai reguliarūs.
  • Milisekundžių pulsarai — itin greiti (periodai milisekundėse), dažnai „suakseleruoti“ akrecijos iš kompaniono žvaigždės binarinėse sistemose.
  • Magnetarai — pulsarų potipis su ypač stipriu magnetiniu lauku (>10^14 G), kurie dažnai spinduliuoja stiprius rentgeno ir gama impulsus bei žybsnius.

Taip pat pastebimi reiškiniai:

  • Glitčai — staigūs periodų sumažėjimai (spinto-up), galimai susiję su branduolio superskysčių dinamika ar krusto poslinkiais.
  • Timing noise — ilgalaikės nedidelės variacijos periodo matavimuose.
  • Binary pulsars — pulsarai dvejetainėse sistemose leidžia tiksliai tyrinėti gravitacinę trauką; Hulse–Taylor pulsaras buvo pirmasis netiesioginis gravitacinių bangų patvirtinimas.

Stebėjimai ir pritaikymai

Pulsarai stebimi radijo arba kosminiais rentgeno ir gama teleskopais. Pulsarų laikrodžiai yra tokie tikslūs, kad naudojami žemės ir kosminių laiko sistemų palyginimui, planetų ir asteroidų orbitų matavimams, ir net kaip infraraudonųjų ir radijo signalų fiksavimo priemonė keliantiesiems gravitacinių bangų detektoriams (pulsarų timing arrays) ieškant žemo dažnio gravitacinių bangų iš supermasyvių juodųjų skylių susijungimų.

Pulsarų tyrimai padeda suprasti branduolio materijos savybes (egzotiškų būsenų egzistavimą), magnetinius procesus, neutroninių žvaigždžių formavimąsi po supernovų ir fundamentines fizikos teorijas (įskaitant Einšteino gravitacijos teorijos testus stiprios traukos srityje).

Kaip pulsarai atrandami

Pulsarai dažniausiai randami apdorojant radijo teleskopų duomenis ieškant periodinių signalų. Modernūs skanavimo ir duomenų apdorojimo metodai (imties greičio sumažinimas, Fourier transformacijos, dedikotos paieškos programos) leidžia aptikti silpnesnius ir toliau esančius objektus. Rentgeno ir gama diapazono pulsarai aptinkami specializuotais palydovais (pvz., Chandra, XMM-Newton, Fermi), ypač kai radijo emisija silpna ar neveikia dėl geometrijos.

Pulsarai yra unikalūs ir svarbūs kosminiai laboratorijos objektai. Jie suteikia galimybę tyrinėti materiją ir fiziką sąlygose, kurių neįmanoma pasiekti Žemėje, ir jų stabilumas atveria praktines bei fundamentines panaudojimo kryptis astronomijoje bei fizikoje.