Pulsarai — apibrėžimas, neutroninių žvaigždžių savybės ir impulsai

Pulsarai: išsamus neutroninių žvaigždžių apibrėžimas, sukimasis, tankis, impulsų trukmė nuo milisekundžių iki sekundžių, spinduliuotės ypatumai ir stebėjimo sąlygos.

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.

Atradimas

Pirmasis pulsaras buvo atrastas 1967 m. Jį atrado Jocelyn Bell Burnell ir Antony Hewish. Jie dirbo Kembridžo universitete. Stebėtas spinduliavimas pasižymėjo impulsais, kuriuos skyrė 1,33 sekundės. Visi impulsai sklido iš tos pačios dangaus vietos. Šaltinis laikėsi žvaigždinio laiko. Iš pradžių jie nesuprato, kodėl pulsaro spinduliuotės stiprumas reguliariai kinta. Žodis "pulsaras" sutrumpintai reiškia "pulsuojanti žvaigždė".

Šis pirminis pulsaras, dabar vadinamas CP 1919, skleidžia radijo bangų ilgio spinduliuotę, tačiau vėliau nustatyta, kad pulsarai skleidžia rentgeno ir (arba) gama spindulių bangų ilgio spinduliuotę.

Nobelio premijos

1974 m. Antony Hewishas tapo pirmuoju astronomu, kuriam buvo paskirta Nobelio fizikos premija. Dėl to, kad jis buvo apdovanotas, o Bellas - ne, kilo ginčų. Ji atliko pirminį atradimą būdama jo doktorantūros studentė. Bellas tvirtina, kad šiuo klausimu nėra nuskriaustas ir palaiko Nobelio premijos komiteto sprendimą. "Kai kurie žmonės ją vadina "No-Bell" premija, nes jie tvirtai mano, kad Jocelyn Bell Burnell turėjo pasidalyti premiją".

1974 m. Josephas Hootonas Tayloras jaunesnysis ir Russellas Hulse'as pirmą kartą atrado pulsarą dvinarėje sistemoje. Šis pulsaras skrieja aplink kitą neutroninę žvaigždę, o jo orbitos periodas yra vos aštuonios valandos. Einšteino bendroji reliatyvumo teorija numato, kad ši sistema turėtų skleisti stiprų gravitacinį spinduliavimą, dėl kurio orbita nuolat traukiasi, nes praranda orbitinę energiją. Pulsaro stebėjimai netrukus patvirtino šią prognozę ir pateikė pirmuosius gravitacinių bangų egzistavimo įrodymus. Nuo 2010 m. šio pulsaro stebėjimai ir toliau atitinka bendrąjį reliatyvumo principą. 1993 m. už šio pulsaro atradimą Taylorui ir Hulse'ui paskirta Nobelio fizikos premija.

Jocelyn Bell Burnell diagrama

Paieška pagal raidę