Jak fungují pulsary – vesmírné majáky

Rotující pozůstatky mrtvých hvězd

Někde v souhvězdí Býka se hustá koule hmoty o průměru pouhých 20 kilometrů otáčí 30krát za sekundu a vrhá do vesmíru paprsky rádiových vln. Je to Krabí pulsar, zhroucené jádro hvězdy, jejíž explozi zaznamenali čínští a japonští astronomové v roce 1054 n. l. Je to jen jeden z přibližně 3 400 dosud katalogizovaných pulsarů – a astronomové stále nacházejí nové záhady v jejich signálech.

Pulsar je silně zmagnetizovaná, rychle rotující neutronová hvězda, která vyzařuje soustředěné paprsky elektromagnetického záření ze svých magnetických pólů. Protože tyto póly jsou obvykle nakloněny vzhledem k ose rotace, paprsky se pohybují vesmírem jako rotující lampa majáků. Pokaždé, když paprsek protne Zemi, radioteleskopy zaznamenají přesně načasovaný „puls“ – odtud název.

Jak se rodí pulsar

Když masivní hvězda – alespoň osmkrát těžší než Slunce – vyčerpá své jaderné palivo, její jádro se zhroutí v supernovu. Gravitace stlačí protony a elektrony dohromady do neutronů a vytvoří neutronovou hvězdu o zhruba hmotnosti Slunce, stlačenou do koule o velikosti města. Kolaps zachovává moment hybnosti: stejně jako se krasobruslařka otáčí rychleji, když přitáhne ruce k tělu, zmenšující se jádro se dramaticky zrychluje.

Novorozená neutronová hvězda také zdědí a zesílí magnetické pole mateřské hvězdy a vytvoří pole bilionkrát silnější než zemské. Nabité částice se urychlují podél otevřených siločar magnetického pole poblíž pólů a generují intenzivní paprsky rádiového, rentgenového a dokonce i gama záření.

Objev zaměněný za mimozemšťany

V listopadu 1967 si postgraduální studentka z Cambridge Jocelyn Bell Burnellová všimla „kousku nečistoty“, který se každých 1,337 sekundy opakoval na téměř 30 metrech papíru zapisovače grafů, který každou noc kontrolovala. Signál byl tak pravidelný, že jej její tým napůl žertem označil jako LGM-1 – „Little Green Men 1“ (Malí zelení mužíčci 1). Během několika týdnů Bell Burnellová našla tři další zdroje, čímž vyloučila mimozemský původ a potvrdila novou třídu astronomických objektů. Nobelovu cenu za fyziku za rok 1974 získal její vedoucí Antony Hewish a astronom Martin Ryle; Bell Burnellová samotná byla kontroverzně vynechána, ačkoli později obdržela Breakthrough Prize in Fundamental Physics za rok 2018.

Typy pulsarů

Ne všechny pulsary jsou stejné. Mezi hlavní odrůdy patří:

• Normální pulsary se otáčejí jednou za několik sekund a postupně se zpomalují, jak vyzařují energii.
• Milisekundové pulsary se otáčejí stokrát za sekundu. Jsou to staré neutronové hvězdy „roztočené“ odsáváním hmoty z hvězdy společníka. Nejrychlejší známý, PSR J1748−2446ad, dokončí 716 otáček za sekundu – jeho rovník se pohybuje rychlostí zhruba čtvrtiny rychlosti světla.
• Magnetary mají magnetická pole až tisíckrát silnější než běžné pulsary a mohou vyzařovat silné záblesky rentgenového a gama záření. Byly potvrzeny pouze asi dvě desítky.

Proč jsou pulsary pro vědu důležité

Protože milisekundové pulsary tikají s pravidelností, která konkuruje atomovým hodinám, staly se nepostradatelnými nástroji pro fyziku a navigaci.

Detekce gravitačních vln

Projekty jako NANOGrav monitorují pole desítek milisekundových pulsarů rozmístěných po obloze. Procházející gravitační vlna roztahuje a stlačuje časoprostor a nepatrně mění časy příchodu pulzů. V roce 2023 vytvořila 15letá datová sada 68 pulsarů NANOGrav první silný důkaz pro gravitační vlnové pozadí – nízký šum vlnění časoprostoru, pravděpodobně generovaný splývajícími supermasivními černými děrami v celém vesmíru.

Testování obecné relativity

Binární pulsary – dvě neutronové hvězdy obíhající kolem sebe – nabízejí přirozené laboratoře pro Einsteinovu obecnou relativitu. Postupné zmenšování jejich oběžných drah odpovídá předpovědím ztráty energie prostřednictvím gravitačního záření, což je potvrzení, které vyneslo Nobelovu cenu za fyziku v roce 1993.

Navigace v hlubokém vesmíru

Protože signály pulsarů jsou detekovatelné kdekoli ve sluneční soustavě, kosmické lodě je mohou používat jako přirozené GPS majáky. Porovnáním časů příchodu pulzů na palubě s předpokládanými hodnotami by sonda mohla autonomně určit svou polohu – bez nutnosti pozemní stanice.

Stále plné překvapení

I po téměř šesti desetiletích studia pulsary stále přinášejí hádanky. Například Krabí pulsar vytváří podivné vzory „zebra stripe“ ve svém rádiovém spektru, které vědci teprve nedávno spojili s přetahováním mezi difrakcí plazmatu a gravitační čočkou. S příchodem radioteleskopů nové generace, jako je Square Kilometre Array, se očekává, že budou nalezeny tisíce dalších pulsarů – každý z nich je přesnou sondou do nejextrémnější fyziky, kterou vesmír nabízí.