Jak działają pulsary – kosmiczne latarnie morskie Wszechświata

Wirujące pozostałości martwych gwiazd

Gdzieś w gwiazdozbiorze Byka gęsta kula materii o średnicy zaledwie 20 kilometrów obraca się 30 razy na sekundę, wyrzucając w kosmos wiązki fal radiowych. To Pulsar Kraba, zapadnięte jądro gwiazdy, której eksplozję odnotowali chińscy i japońscy astronomowie w 1054 roku n.e. Jest to tylko jeden z około 3400 skatalogowanych dotychczas pulsarów – a astronomowie wciąż odkrywają nowe tajemnice w ich sygnałach.

Pulsar to silnie namagnetyzowana, szybko rotująca gwiazda neutronowa, która emituje skupione wiązki promieniowania elektromagnetycznego ze swoich biegunów magnetycznych. Ponieważ bieguny te są zwykle nachylone względem osi obrotu, wiązki przemierzają przestrzeń jak obracająca się lampa latarni morskiej. Za każdym razem, gdy wiązka przetnie Ziemię, radioteleskopy rejestrują precyzyjnie odmierzony „impuls” – stąd nazwa.

Jak rodzi się pulsar

Kiedy masywna gwiazda – co najmniej osiem razy cięższa od Słońca – wyczerpie swoje paliwo jądrowe, jej jądro zapada się w supernową. Grawitacja miażdży protony i elektrony, łącząc je w neutrony, tworząc gwiazdę neutronową o masie zbliżonej do masy Słońca, upakowaną w kulę wielkości miasta. Upadek zachowuje moment pędu: tak jak łyżwiarka figurowa obraca się szybciej, przyciągając ramiona, kurczące się jądro dramatycznie przyspiesza.

Nowo narodzona gwiazda neutronowa dziedziczy również i wzmacnia pole magnetyczne gwiazdy macierzystej, wytwarzając pola bilion razy silniejsze niż ziemskie. Naładowane cząstki przyspieszają wzdłuż otwartych linii pola magnetycznego w pobliżu biegunów, generując intensywne wiązki promieniowania radiowego, rentgenowskiego, a nawet gamma.

Odkrycie pomylone z obcymi

W listopadzie 1967 roku studentka Cambridge Jocelyn Bell Burnell zauważyła „odrobinę brudu” powtarzającą się co 1,337 sekundy na prawie 30 metrach papieru rejestratora wykresów, który przeglądała każdej nocy. Sygnał był tak regularny, że jej zespół pół żartem nazwał go LGM-1 – „Little Green Men 1” (Małe Zielone Ludziki 1). W ciągu kilku tygodni Bell Burnell znalazła trzy kolejne źródła, wykluczając pozaziemskie pochodzenie i potwierdzając nową klasę obiektów astronomicznych. Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w 1974 roku otrzymali jej opiekun Antony Hewish i astronom Martin Ryle; sama Bell Burnell została kontrowersyjnie pominięta, choć później otrzymała nagrodę Breakthrough Prize in Fundamental Physics w 2018 roku.

Rodzaje pulsarów

Nie wszystkie pulsary są takie same. Główne odmiany obejmują:

• Zwykłe pulsary obracają się raz na kilka sekund i stopniowo zwalniają, emitując energię.
• Pulsary milisekundowe obracają się setki razy na sekundę. Są to stare gwiazdy neutronowe „rozkręcone” przez wysysanie materii z gwiazdy towarzyszącej. Najszybszy znany, PSR J1748−2446ad, wykonuje 716 obrotów na sekundę – jego równik porusza się z prędkością około jednej czwartej prędkości światła.
• Magnetary posiadają pola magnetyczne do tysiąca razy silniejsze niż zwykłe pulsary i mogą emitować potężne rozbłyski promieniowania rentgenowskiego i gamma. Potwierdzono istnienie tylko około dwóch tuzinów.

Dlaczego pulsary są ważne dla nauki

Ponieważ pulsary milisekundowe tykają z regularnością dorównującą zegarom atomowym, stały się niezastąpionymi narzędziami dla fizyki i nawigacji.

Wykrywanie fal grawitacyjnych

Projekty takie jak NANOGrav monitorują układy kilkudziesięciu pulsarów milisekundowych rozmieszczonych na całym niebie. Przechodząca fala grawitacyjna rozciąga i ściska czasoprzestrzeń, minimalnie zmieniając czasy nadejścia impulsów. W 2023 roku 15-letni zbiór danych NANOGrav obejmujący 68 pulsarów dostarczył pierwszych mocnych dowodów na istnienie tła fal grawitacyjnych – cichego szumu zmarszczek czasoprzestrzeni, prawdopodobnie generowanego przez zderzające się supermasywne czarne dziury w całym wszechświecie.

Testowanie ogólnej teorii względności

Pulsary podwójne – dwie gwiazdy neutronowe krążące wokół siebie – oferują naturalne laboratoria dla ogólnej teorii względności Einsteina. Stopniowe kurczenie się ich orbit odpowiada przewidywaniom utraty energii poprzez promieniowanie grawitacyjne, co potwierdzenie to przyniosło Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w 1993 roku.

Nawigacja w głębokim kosmosie

Ponieważ sygnały pulsarów są wykrywalne w dowolnym miejscu w Układzie Słonecznym, statki kosmiczne mogą wykorzystywać je jako naturalne beacony GPS. Porównując czasy nadejścia impulsów na pokładzie z przewidywanymi wartościami, sonda mogłaby autonomicznie ustalić swoje położenie – bez potrzeby stacji naziemnej.

Wciąż pełne niespodzianek

Nawet po prawie sześciu dekadach badań pulsary wciąż dostarczają zagadek. Pulsar Kraba, na przykład, wytwarza dziwne wzory „zebry” w swoim widmie radiowym, które naukowcy dopiero niedawno powiązali z przeciąganiem liny między dyfrakcją plazmy a soczewkowaniem grawitacyjnym. Wraz z uruchomieniem radioteleskopów nowej generacji, takich jak Square Kilometre Array, oczekuje się znalezienia tysięcy kolejnych pulsarów – każdy z nich jest precyzyjną sondą w najbardziej ekstremalną fizykę, jaką ma do zaoferowania wszechświat.