Pulsar: 30kilometrová hvězda, která se otáčí stovky krát za sekundu

Pulsar nemůže být širší než 30 kilometrů, ale otáčí se kolem své osy stovky krát každou sekundu a vyhazuje paprsek rádiových vln – a méně často vyšší energetické záření jako rentgenové záření. Protože tento paprsek dosáhne Země pouze tehdy, když náhodou projde kolem, registrují radioteleskopeity jako rychlý, pravidelný puls spíše než stálý svit, odkud pochází název.

Astronomové nyní katalogizovaly více než 2600 těchto objektů, z nichž většina se nachází ve Mlečné dráze. Daleko od toho, aby byla zvědavostí, se tento katalog stal funkčním vědeckým nástrojovým souborem: vědci používají pulsary k hledání gravitačních vln na nízké frekvenci, mapování struktury galaxie a testování Einsteinovy obecné teorie relativity za podmínek, které žádná pozemská laboratoř nikdy nemohla reprodukovat.

Co následuje, je příběh o tom, jak byly pulsary objeveny, podivné rekordy, které některé z nich drží, a co desítky let pozorování naučilo fyziky o samotné gravitaci.

V roce 1967 objevila Jocelyn Bell Burnell první rádiové pulsary, zatímco stále pracovala na svém Ph.D. Neskenovala obrazovku pro signál – její sledovací zařízení produkuje více než 30 metrů pero-papírových diagramů každý den a podivné, ustálené impulsy musely být detekovány pouhým okem mezi šumem.

Tento druh trpělivého, ručního třídění dat se dá snadno zapomenout, jakmile se objevení stane učebnicovou fyzikou, ale je to přesně to, jak se nevysvětlitelný signál stal zcela novou třídou hvězd.

V roce 1974 se Antony Hewish a Martin Ryle stali prvními astronomy, kterým byla kdy udělena Nobelova cena za fyziku, čestní částečně za Hewishovu klíčovou roli v osvětlení pulsarů. Zůstává jednou z nejdiskutovanějších Nobelových cen v astronomii, protože objevem, který to umožnil, bylo Bellino: její objev si zasloužil stejnou Nobelovu cenu za fyziku z roku 1974, ale ona sama nebyla mezi příjemci jmenována.

Epizoda se stala standardním referenčním bodem v rozhovorech o uznání ve vědě – ne proto, že by někdo pochyboval o tom, co našla, ale kvůli tomu, koho se Nobelův výbor rozhodl odměnit za to, že to našel.

Ne všechny pulsary sedí klidně v prázdném prostoru. Pulsar Kraba zaujímá centrum Mlhoviny Kraba, trosky supernovy, kterou zemští pozorovatelé viděli v roce 1054 – století předtím, než někdo pochopil, co viděli.

Pulsar Kraba samotný má šířku asi 20 kilometrů, dost malý na to, aby se vešel do středně velkého města, a provádí jednu plnou rotaci každých 33.392 milisekund. To znamená, že jeho paprsky procházejí kolem pozorovatele 29 946 krát za sekundu – dostatečně rychle, aby mlhovina kolem něj zářila a blikala v rytmu rotace.

Běžné pulsary jsou již rychlé, ale oddělená třída tento koncept posunuje mnohem dále. PSR B1937+21 má historický titul: objeven v roce 1982, byl to první milisekundový pulsar kdy identifikován a otáčí se přibližně 641 otáček za sekundu. Téměř půlstoletí později je stále druhý nejrychlejší mezi přibližně 200 nyní známými milisekundovými pulsary – připomínka toho, jak extrémní tyto objekty mohou být.

Pulsary se ukázaly skrývat další překvapení: planety. V roce 1992 Aleksander Wolszczan našel první kdy potvrzené mimoslunečné planety obíhající pulsar PSR B1257+12 – roky předtím, než kdokoli zjistil planetu kolem normální, slunečné hvězdy.

Jedna z planet tohoto systému, katalogizovaná jako PSR B1257+12 b, je pozoruhodně malá: její hmotnost je jen o něco méně než dvojnásobek Měsíce, což ji činí stále nejméně hmotným objektem kdy potvrzeným mimo sluneční soustavu. Najít jakoukoli planetu kolem pulsaru bylo překvapivé; najít jednu tak lehkou bylo skoro náhodou.

Stejného roku, kdy Hewish a Ryle sbírali svou Nobelovu cenu, fyzici Joseph Hooton Taylor Jr. a Russell Hulse již v roce 1974 našli něco možná stejně důležitého: první známý pulsar obíhající jinou hvězdu, označený PSR B1913+16. Protože impulsy pulsaru přicházejí s přesností hodin, umožnil jejich časování fyzikům měřit tento binární systém s mimořádnou přesností.

Desítky let tohoto časování poskytly odhady hmotnosti 1,4398 sluneční hmotnosti pro pulsar a 1,3886 sluneční hmotnosti pro jeho společnici – čísla dostatečně přesná na detekci jemné předpovědi obecné relativity. Orbitální období páru se zmenšuje 0,997krát rychleji, než předpovídá tlumení gravitačního záření relativity – přibližně tak blízko dokonalému souladu mezi teorií a pozorováním, jak se astrofyzika dá přiblížit.

Téměř každý známý pulsar je to, co astronomové nazývají neutronovým pulsarem – ale ne všichni. V binárním systému AR Scorpii pochází pulsující světlo ne z neutronové hvězdy, ale z bílého trpaslíka: vysoce magnetizovaného zbytku hvězdy s intenzitou pole až do 500 MG, jehož zpomalení rotace pohání pulzy stejným způsobem jako neutronová hvězda.

To činí AR Scorpii prvním potvrzeným příkladem pulsar bílého trpaslíka, rozšiřujícího definici „pulsaru" daleko za typ objektu, který jí původně dal jméno.

Hledání více pulsarů stále více rostou. Australský radioteleskop Parkes provedeol své první pozorování pulsaru v roce 1968 a od té doby se stal národní ikonou, která se objevuje spolu s obrázkem pulsaru na první australské bankovce 50 dolarů. Nedávno se čínský radioteleskop FAST – jeho plné jméno je Five-hundred-metre Aperture Spherical Telescope – stal jedním z nejsilnějších nástrojů, které nyní skenují oblohu pro nové pulsary.

Mezi citlivými novými talíři a desítkami let trpělivých údajů o časování pulsar věda neukazuje žádné známky zpomalení; objekty, které začaly jako nevysvětlený vzor na pásku grafického papíru, se staly jedním z nejproduktivnějších nástrojů astrofyziky.

• Phys.org: Fifty years ago, Jocelyn Bell discovered pulsars and changed our view of the universe
• arXiv: Timing Measurements of the Relativistic Binary Pulsar PSR B1913+16
• arXiv: Polarimetric evidence of a white dwarf pulsar in the binary system AR Scorpii
• Wikipedia: Pulsar
• Wikipedia: Jocelyn Bell Burnell
• Wikipedia: Crab Pulsar
• Wikipedia: Millisecond pulsar