Pulsar: Stjernen på 30 kilometer, der roterer hundredvis af gange i sekundet

En pulsar kan ikke være bredere end 30 kilometer, men den roterer omkring sin akse hundredvis af gange hvert sekund, og kaster ud stråler af radiobølger – og mindre ofte højere energitstråling som røntgenstråler. Fordi denne stråle kun når Jorden når den tilfældigvis passerer forbi, registrerer radiofteleskoper den som en hurtig, regelmæssig puls i stedet for et stabilt gløde, hvilket er, hvor navnet kommer fra.

Astronomer har nu katalogiseret mere end 2.600 af disse objekter, det meste inden for Mælkevejens. Langt fra at være en nysgerrighed er denne katalog blevet et fungerende videnskabeligt værktøjssæt: Forskere bruger pulsarer til at søge efter lavfrekvente gravitationsbølger, kortlægge galaxens struktur og teste Einsteins generelle relativitetsteori under forhold, som intet laboratorium på Jorden nogensinde kunne genskabe.

Det følgende er historien om, hvordan pulsarer blev opdaget, de sære rekorder, nogle af dem holder, og hvad årtier med observation har undervist fysikere om tyngdekraften selv.

I 1967 opdagede Jocelyn Bell Burnell de første radiopulsarer mens hun stadig arbejdede på sin Ph.D. Hun skannede ikke en skærm for signalet – hendes sporingsudstyr producerede mere end 30 meter pen- og papirdiagramoptagelser hver dag, og de mærkelige, stabile impulser var nødt til at blive opdaget med det blotte øje blandt støjen.

Denne form for tålmodig manuel datasigtning er let at glemme, når en opdagelse bliver lærebogsfysik, men det er præcis, hvordan et uforklaret signal blev til en helt ny stjerneklasse.

I 1974 blev Antony Hewish og Martin Ryle de første astronomer nogensinde, der blev tildelt Nobelprisen i fysik, æret delvist for Hewishs afgørende rolle i at bringe pulsarer til lys. Det forbliver en af de mest omdiskuterede Nobelpriser i astronomi, fordi den opdagelse, der gjorde det muligt, var Bell Burnells: hendes opdagelse fortjente samme Nobelpris i fysik fra 1974, men hun selv blev ikke navngivet blandt modtagerne.

Episoden er blevet et standardreferencepunkt i samtaler om kredit inden for videnskab – ikke fordi nogen betvivler, hvad hun fandt, men på grund af, hvem Nobelkomiteen valgte at belønne for at have fundet det.

Ikke alle pulsarer sidder stille i det tomme rum. Krabpulsaren optager centrum af Krabnebulosen, vraket af en supernova, som jordiske observatører så opflame i året 1054 – århundreder før nogen forstod, hvad de så.

Krabpulsaren selv er omkring 20 kilometer tværs over, lille nok til at passe ind i en stad af medium størrelse, og gennemfører en fuld rotation hver 33.392 millisekund. Det arbejder til, at dens stråler fejer forbi en observatør 29.946 gange hvert sekund – hurtigt nok til at nebulosen omkring den glyder og gløder i synkronisering med rotationen.

Almindelige pulsarer er allerede hurtige, men en separat klasse driver ideen meget længere. PSR B1937+21 har en historisk titel: fundet i 1982, det var den første millisekundpulsar nogensinde identificeret, og den roterer med omkring 641 rotationer per sekund. Næsten et halvt århundrede senere rangerer den stadig som det næst-hurtigste blandt de omkring 200 millisekundpulsarer nu kendt – en påmindelse om hvor ekstrem disse objekter kan være.

Pulsarer viste sig at gemme en anden overraskelse: planeter. I 1992 fandt Aleksander Wolszczan de første exoplaneter nogensinde bekræftede, der kredser omkring pulsaren PSR B1257+12 – år før nogen opdagede en planet omkring en normal, solignende stjerne.

En af planeterne i dette system, katalogiseret som PSR B1257+12 b, er bemærkelsesværdigt lille: dens masse kommer i lige under det dobbelte af Månen, hvilket gør den stadig det mindst massive objekt nogensinde bekræftet uden for solsystemet. At finde nogen planet omkring en pulsar var overraskende; at finde en så let var næsten tilfældig.

Samme år som Hewish og Ryle indsamlede deres Nobelpris, havde fysikerne Joseph Hooton Taylor Jr. og Russell Hulse allerede fundet noget muligvis lige så vigtig, tilbage i 1974: den første pulsar kendt for at kredser omkring en anden stjerne, udpeget PSR B1913+16. Fordi en pulsars impulser ankommer med urpræcision, gjorde timing af dem det muligt for fysikere at måle det binære system med ekstraordinær nøjagtighed.

Årtier med denne timing producerede masseestimater på 1,4398 solmasser for pulsaren og 1,3886 solmasser for dens ledsager – tal præcise nok til at detektere en subtil forudsigelse af generel relativitet. Parrets omløbsperiode krymper med 0,997 gange den hastighed, som relativitetsteoris gravitationsbølgedæmpning forudsiger, omkring så tæt på en perfekt match mellem teori og observation, som astrofysik kan nå.

Næsten enhver kendt pulsar er hvad astronomer kalder en neutronenergjestjerne pulsar – men ikke alle. I det binære system AR Scorpii kommer det pulserede lys ikke fra en neutronenergjestjerne, men fra en hvid dværg: en stærkt magnetiseret stjernelev, med en feltstyrke op til 500 MG, hvis spin-ned driver pulserne på samme måde som en neutronenergjestjerne ville.

Det gør AR Scorpii det første bekræftede eksempel på en hvid dværg-pulsar, der strækker definitionen af "pulsar" langt beyond den objekttype, der oprindeligt gav den navn.

Søgningen efter flere pulsarer fortsætter med at blive mere og mere dygtig. Australiens Parkes radiofteleskop foretog sin første pulsarobservation tilbage i 1968 og er siden blevet et nationalt ikon, der vises sammen med et pulsarbillede på den første australske 50-dollarseddel. For nylig er Chinas FAST radiofteleskop – dets fulde navn er Five-hundred-metre Aperture Spherical Telescope – blevet et af de mest kraftfulde instrumenter, der nu skannes på himlen for nye pulsarer.

Blandt følsomme nye retter og årtier af tålmodig timingedata, pulsar videnskab viser ingen tegn på at bremse; objekterne, der startede som et uforklaret mønster på en papirstrimmel, er blevet et af astrofysikens mest produktive værktøjer.

• 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