Vad är en pulsar? Definition och fakta om snurrande neutronstjärnor

Pulsar — definition och fakta om snurrande neutronstjärnor, deras exakta pulser, ursprung och hur de observeras i radio- och röntgenvågor.

Pulsarer är neutronstjärnor som snurrar snabbt och producerar enorm elektromagnetisk strålning i en smal stråle. Neutronstjärnor är mycket täta och har korta, regelbundna snurrar. Detta ger ett mycket exakt intervall mellan pulserna som varierar från ungefär millisekunder till sekunder för en enskild pulsar. Pulsen kan endast ses om jorden befinner sig tillräckligt nära strålens riktning. På samma sätt som du bara kan se en fyr när strålen lyser i din riktning.

Pulserna matchar stjärnans vändningar. Snurrandet orsakar en fyrtornseffekt, eftersom strålningen bara syns med korta intervaller. Werner Becker från Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics sade nyligen att pulsarer fungerar som mycket precisa kosmiska klockor, vars regelbundenhet gör dem ovärderliga för astronomiska mätningar och fysikaliska tester.

Hur bildas pulsarer?

Pulsarer bildas när en tung stjärna exploderar som en supernova och dess kärna kollapsar till en neutronstjärna. Under kollapsen koncentreras nästan all stjärnans massa i en boll med radie på ungefär 10–20 kilometer, vilket ger extrem täthet och mycket stark gravitation. Bevarandet av rörelsemängdsmoment gör att den nybildade neutronstjärnan börjar rotera mycket snabbt — ibland hundratals gånger per sekund. Den kraftiga magnetfältet som ofta följer med stjärnan kanaliserar laddade partiklar längs magnetpolerna och skapar de smala strålar av elektromagnetisk strålning som vi uppfattar som pulser.

Typer av pulsarer

• Radio-pulsarer: Vanligast observerade i radiovågor. De visar regelbundna pulser som kan följas över lång tid.
• Millisekundpulsarer: Mycket snabba pulsarer med rotationsperioder på några millisekunder. Dessa har ofta återuppmattats eller "recycle:ats" genom massöverföring i ett binärt system.
• Magnetarer: Extremt kraftfulla magnetfält (10¹³–10¹⁵ gauss) och oftare observerade i röntgen eller gamma; de visar ibland utbrott och okonventionellt beteende.
• Binära pulsarer: Pulsarer i ett system med en följeslagare (t.ex. en annan neutronstjärna eller en vit dvärg). Sådana system är viktiga för att testa gravitationsteori.

Hur observerar vi pulsarer?

Pulsarer detekteras på flera våglängder: radioteleskop är vanligast, men många pulsarer syns också i optiskt, röntgen- och gammaområdet. Exempel på observationsmetoder och fenomen:

• Registrera pulsernas tidpunkter (puls-TOA, time of arrival) för att bestämma rotationsperiod och eventuella förändringar.
• Mäta periodderivatan (hur snabbt pulsens rotation saktar ner) för att uppskatta energiförlust och magnetfältstyrka.
• Studera pulssignaturens form (pulse profile) som kan ge information om magnetfältets geometri och strålningsmekanismer.
• Använda pulsartiming i binära system för att mäta massor och relativistiska effekter (t.ex. tidsförskjutning och perihelförskjutning).

Varför är pulsarer viktiga?

• Extrem precision: Vissa millisekundpulsarer är så regelbundna att de kan användas som kosmiska klockor och referenser i astrometri.
• Test av relativitetsteori: Binära pulsarsystem (t.ex. Hulse–Taylor-pulsaren) har gett starka bevis för energiförlust via gravitationsvågor, i enlighet med Einsteins allmänna relativitetsteori.
• Upptäckt av gravitationsvågor: Pulsartiming-arrayer, som kombinerar noggranna mätningar av många millisekundpulsarer, används för att söka långperiodiska gravitationsvågor från supermassiva svarta hål.
• Inblick i extrem fysik: Pulsarer ger unika laboratorier för att studera materia vid mycket hög densitet, starka magnetfält och partikelaccelerationsprocesser.

Egenskaper och mätbara storheter

• Rotationsperiod (P): Tiden mellan två pulser; sträcker sig från ~1,4 millisekunder till flera sekunder.
• Periodderivata (Ṗ): Hur snabbt perioden förändras; används för att uppskatta pulsarens ålder och magnetfält.
• Braking index: Ett mått på hur rotationsbromsningen utvecklas över tiden och ger insikt i utsläppsprocesserna.
• Magnetfält: Beräknas ofta från P och Ṗ; typiska fält är 10⁸–10¹⁵ gauss beroende på typ.

Historisk notering

Pulsarens upptäckt 1967 av Jocelyn Bell Burnell och Antony Hewish var en milstolpe i astronomin. Den första signalen tolkades initialt som en regelbunden radiosignal och kallades skämtsamt "LGM" (Little Green Men) innan man insåg naturen — en snabbt roterande neutronstjärna.

Avslutande ord

Pulsarer är fascinerande föremål som förbinder observationer med teori: från explosionen som skapade dem, via snabba rotationer och kraftiga magnetfält, till deras användning som precisa mätinstrument i kosmologiska och fundamentala fysikaliska studier. Forskningen fortsätter att upptäcka nya typer av beteenden och utnyttja pulsarers stabilitet för att utforska universums mörkare och mest extrema sidor.

Upptäckt

Den första pulsaren upptäcktes 1967. Den upptäcktes av Jocelyn Bell Burnell och Antony Hewish. De arbetade vid universitetet i Cambridge. Den observerade emissionen hade pulser som var separerade med 1,33 sekunder. Pulserna kom alla från samma plats på himlen. Källan höll sig till siderisk tid. Till en början förstod de inte varför pulsarer har en regelbunden förändring i strålningsstyrkan. Ordet pulsar är en förkortning för "pulserande stjärna".

Den ursprungliga pulsaren, som nu kallas CP 1919, producerar radiovågor, men senare har pulsarer visat sig producera strålning i röntgen- och/eller gammastrålning.

Nobelpris

1974 blev Antony Hewish den första astronomen som fick Nobelpriset i fysik. Kontroverser uppstod eftersom han fick priset medan Bell inte fick det. Hon hade gjort den första upptäckten när hon var hans doktorand. Bell hävdar att hon inte är bitter på denna punkt och stöder Nobelpriskommitténs beslut. "Vissa människor kallar det för No-Bell-priset eftersom de känner så starkt att Jocelyn Bell Burnell borde ha fått dela på priset".

1974 upptäckte Joseph Hooton Taylor Jr. och Russell Hulse för första gången en pulsar i ett binärt system. Denna pulsar kretsar kring en annan neutronstjärna med en omloppstid på bara åtta timmar. Einsteins allmänna relativitetsteori förutsäger att detta system borde avge stark gravitationsstrålning, vilket gör att banan kontinuerligt drar ihop sig när den förlorar bankraft. Observationer av pulsaren bekräftade snart denna förutsägelse och gav det första beviset någonsin för förekomsten av gravitationsvågor. Sedan 2010 stämmer observationer av pulsaren fortfarande överens med den allmänna relativitetsteorin. År 1993 tilldelades Taylor och Hulse Nobelpriset i fysik för upptäckten av denna pulsar.

Jocelyn Bell Burnells diagram

Sök med bokstav