Hogyan működnek a pulzárok – az univerzum kozmikus világítótornyai

Halott csillagok forgó maradványai

Valahol a Bika csillagképben egy alig 20 kilométer széles, sűrű anyagból álló gömb másodpercenként 30-szor megfordul, rádióhullámok nyalábjait lökve a kozmoszba. Ez a Rák-pulzár, egy csillag összeomlott magja, amelynek robbanását kínai és japán csillagászok jegyezték fel 1054-ben. Ez csupán egy a körülbelül 3400 eddig katalogizált pulzárból – és a csillagászok még mindig új rejtélyeket találnak a jeleikben.

A pulzár egy erősen mágnesezett, gyorsan forgó neutroncsillag, amely fókuszált elektromágneses sugárzást bocsát ki a mágneses pólusaiból. Mivel ezek a pólusok általában a forgástengelyhez képest el vannak dőlve, a sugarak úgy söpörnek végig az űrön, mint egy világítótorony forgó lámpája. Minden alkalommal, amikor egy sugár keresztezi a Földet, a rádiótávcsövek egy pontosan időzített „impulzust” regisztrálnak – innen a név.

Hogyan születik egy pulzár

Amikor egy masszív csillag – legalább nyolcszor nehezebb, mint a Nap – kimeríti nukleáris üzemanyagát, a magja egy szupernóvában összeomlik. A gravitáció protonokat és elektronokat présel össze neutronokká, így egy körülbelül a Nap tömegével megegyező, de egy város méretű gömbbe sűrített neutroncsillag jön létre. Az összeomlás megőrzi a perdületet: ahogy egy műkorcsolyázó felgyorsul, amikor behúzza a karjait, a zsugorodó mag is drámaian felgyorsul.

Az újszülött neutroncsillag örökli és felerősíti a szülőcsillag mágneses terét is, így a Földénél trilliószor erősebb mezőket hoz létre. A töltött részecskék a pólusok közelében lévő nyitott mágneses mezővonalak mentén felgyorsulnak, intenzív rádió-, röntgen- és még gammasugárzást generálva.

Egy felfedezés, amelyet idegeneknek néztek

1967 novemberében Jocelyn Bell Burnell, a Cambridge-i Egyetem végzős hallgatója észrevett egy „kis piszkot”, amely 1,337 másodpercenként ismétlődött a csaknem 30 méteres papíron, amelyet minden este átnézett. A jel annyira szabályos volt, hogy a csapata félig viccesen LGM-1-nek – „Little Green Men 1” (Kis Zöld Emberkék 1) – nevezte el. Néhány héten belül Bell Burnell három további forrást talált, kizárva a földönkívüli eredetet, és megerősítve egy új csillagászati objektum osztályát. Az 1974-es fizikai Nobel-díjat a témavezetője, Antony Hewish és Martin Ryle csillagász kapta; Bell Burnell-t vitatható módon kihagyták, bár később megkapta a 2018-as Breakthrough Prize in Fundamental Physics díjat.

A pulzárok típusai

Nem minden pulzár egyforma. A főbb fajták a következők:

• A normál pulzárok néhány másodpercenként egyszer forognak, és fokozatosan lelassulnak, ahogy energiát sugároznak.
• A milliszekundumos pulzárok másodpercenként több százszor forognak. Ezek öreg neutroncsillagok, amelyeket egy kísérő csillagból származó anyag „pörgetett fel”. A leggyorsabban ismert, a PSR J1748−2446ad, másodpercenként 716 fordulatot tesz meg – az egyenlítője a fénysebesség körülbelül egynegyedével mozog.
• A magnetárok mágneses tere akár ezerszer erősebb is lehet, mint a közönséges pulzároké, és erős röntgen- és gammasugár-kitöréseket bocsáthatnak ki. Eddig csak körülbelül két tucatot erősítettek meg.

Miért fontosak a pulzárok a tudomány számára

Mivel a milliszekundumos pulzárok az atomórákkal vetekedő rendszerességgel ketyegnek, nélkülözhetetlen eszközökké váltak a fizika és a navigáció számára.

Gravitációs hullámok észlelése

Az olyan projektek, mint a NANOGrav, több tucat, az égen szétszórt milliszekundumos pulzárból álló tömböket figyelnek. Egy áthaladó gravitációs hullám megnyújtja és összenyomja a téridőt, apró mértékben megváltoztatva az impulzusok érkezési idejét. 2023-ban a NANOGrav 15 éves, 68 pulzárból álló adathalmaza szolgáltatta az első erős bizonyítékot egy gravitációs hullám háttérre – a téridő alacsony zúgására, amelyet valószínűleg a szupermasszív fekete lyukak összeolvadása generál az egész univerzumban.

Az általános relativitáselmélet tesztelése

A bináris pulzárok – két egymás körül keringő neutroncsillag – természetes laboratóriumokat kínálnak Einstein általános relativitáselméletéhez. A pályájuk fokozatos zsugorodása megfelel a gravitációs sugárzás általi energiaveszteségre vonatkozó előrejelzéseknek, ami megerősítésként szolgált az 1993-as fizikai Nobel-díjhoz.

Mélyűri navigáció

Mivel a pulzárjelek a Naprendszer bármely pontján észlelhetők, az űrhajók természetes GPS-jeladóként használhatják őket. A fedélzeti impulzusérkezési idők és az előre jelzett értékek összehasonlításával egy szonda önállóan meg tudja határozni a helyzetét – nincs szükség földi állomásra.

Még mindig tele van meglepetésekkel

Még közel hat évtizedes tanulmányozás után is a pulzárok továbbra is rejtvényeket kínálnak. A Rák-pulzár például furcsa „zebra csík” mintázatokat produkál a rádióspektrumában, amelyeket a kutatók csak nemrégiben kapcsoltak össze a plazmadiffrakció és a gravitációs lencsézés közötti huzavonával. Ahogy a következő generációs rádiótávcsövek, mint például a Square Kilometre Array üzembe helyezésre kerülnek, várhatóan több ezer pulzárt fognak találni – mindegyikük precíziós szonda az univerzum által kínált legszélsőségesebb fizikába.