Pulsar: 30-kilomeetrine täht, mis pöördub sadu kordi sekundis

Pulsar ei saa olla laiem kui 30 kilomeetrit, kuid ta pöördub oma telje ümber sadu kordi iga sekundi jooksul, visates välja raadiosaated – ja harvem kõrgema energiaga kiirgust nagu röntgenkiirgus. Kuna see kiir jõuab Maale ainult siis, kui see juhtumisi möödub, registreerivad raadioteleskoop seda kiire, korrapärase impulsina pigem kui stabiilse heledusena, millest nimi pärineb.

Astronoomid on nüüd katalogiseerinud rohkem kui 2600 sellist objekti, enamik neist Linnutee sees. Kaugel sellest, et oleks uudishimu, on see kataloog saanud töötavaks teaduslikuks tööriistakomplektiks: teadlased kasutavad pulsareid madala sagedusega gravitatsioonilainete otsimiseks, galaktika struktuuri kaardistamiseks ja Einsteini üldrelatiivsusteooria testimiseks tingimustes, mida ükski Maa laboriatoori pole kunagi taastada saanud.

Järgnev on lugu pulsarite avastamisest, oudatest rekordidest, mida mõned neist hoiavad, ja sellest, mida aastakümnete jälgimine on füüsikuid gravitatsiooni enda kohta õpetanud.

1. aastal avastas Jocelyn Bell Burnell esimesed raadiopulsarid samal ajal, kui töötas oma PhD-le juurde. Ta ei skenneerinud ekraani signaalile – tema jälitusseadmed tootsid iga päev üle 30 meetri peal- ja pabergraafiku salvestisi ning veidrad, tugevad impulsid pidi silmapaisteliga märkama müra hulgas.

Selline kannatlikkuse, käsitsi andmete sõelumine on kerge unustada, kui avastamisest saab õpikute füüsika, kuid see on täpselt, kuidas seletatamatu signaal muutus täielikult uueks tähte klassiks.

1. aastal said Antony Hewish ja Martin Ryle esimesteks astronoomideks, kellele kunagi anti Nobeli füüsika auhind, austatud osaliselt Hewishi otsustavate rolli eest pulsarite valgusse toomisele. See jääb astronoomia kõige väideldavamate Nobeli auhindade hulka, sest avastus, mis selle võimalikuks tegi, oli Bell Burnelli: tema avastus teenis samale 1974. aasta Nobeli füüsika auhinnale, kuid tema end polnud saajate hulgas nimetatud.

Episood on saanud tavaliseks viitenupunktiks teadusliku tunnustuse kohta käitavates vestlustes – mitte seetõttu, et keegi kahtleks, mida ta leidis, vaid selle pärast, keda Nobeli komitee otsustas sellele auhinnata tema leidmise eest.

Kõik pulsarid ei istu tühjalt kosmoselt. Krabipulsar asub Krabinebulosa keskel, supernoova pujuste, mille maaobservaatorid nägid tulekahju 1054. aastal – sajandid enne, kui keegi aru sai, mida nad nägid.

Krabipulsar ise on umbes 20 kilomeetri laiune, piisavalt väike, et mahtuda keskmise linna sisse, ja teostab täispöördeid iga 33.392 millisekundiga. See tähendab, et selle kiired pühivad vaatleja mööda 29 946 korda iga sekundi järel – piisavalt kiire, et selle ümbritsev udukogla särab ja vilgub pöörlemisega sünkroonis.

Tavalistel pulsaritel on kiired, kuid eraldi klass viib ideed palju edasi. PSR B1937+21 omab ajaloolis tiitlit: leiti 1982. aastal, see oli esimene kunagi tuvastatud millisekundi pulsar ja pöördub umbes 641 pöördega sekundis. Peaaegu pool sajandit hiljem paigutab see ikkagi teiseks kiiremaks umbes 200 nüüd teada millisekundi pulsari hulgas – meeldetuletamine sellest, kui äärmised need objektid võivad olla.

Pulsarid osutusid teist üllatust peitma: planeetid. 1992. aastal leidis Aleksander Wolszczan esimesed kunagi kinnitatud eksoplaneedid, mis tiirlevad pulsari PSR B1257+12 ümber – aastad enne, kui keegi tuvastas planeedi tavalise päikesele sarnase tähe ümber.

Üks selle süsteemi planeetidest, klassifitseeritud kui PSR B1257+12 b, on märkimisväärselt väike: selle mass on veidi alla Kuu kahekordse, muutes selle endiselt vähima massiga objektiks, mida on kunagi kinnitatud päikesesüsteemist kaugemal. Kunagi planeedi leidmine pulsari ümber oli hämmastav; nii kerge leidmine oli peaaegu juhuslik.

Sama aastal, mil Hewish ja Ryle nende Nobeli auhinnad kogusid, olid füüsikud Joseph Hooton Taylor Jr. ja Russell Hulse juba 1974. aastal leidnud midagi võib olla sama tähtsusega: esimene teadaolev pulsar, mis ümber teise tähe tiirlevad, tähistatud PSR B1913+16. Kuna pulsari impulsid saabuvad kellateaduslikust regulaarsusega, võimaldas nende ajastamine füüsikutele seda kahekordsüsteemi mõõta erakordselt täpsusega.

Aastakümned seda ajastavat toodist tootis massihinnanguid 1,4398 päikese massi pulsari jaoks ja 1,3886 päikese massi tema kaaslasele – numbrid piisavalt täpse, et tuvastada üldrelatiivsusteooria peen ennustus. Paari orbiaalperiood väheneb 0,997 korda kiirusega, mida relatiivsusteooria gravitatsioonilainete summutamine ennustab, umbes nii lähedalt täiuslikule vastavusele teooria ja vaatluse vahel, kui astrofüüsika saab.

Peaaegu iga teadaolev pulsar on see, mida astronoomid nimetavad neutrontähe pulsariks – aga mitte kõik. Kahekordses süsteemis AR Scorpii pärineb pulseeriv valgus mitte neutrontähest, vaid valgest käbuust: väga magnetiseeritud tähejaanusest, mille väljavõimsus on kuni 500 MG, mille spin-down ajab impulsse samamoodi nagu neutrontäht.

See teeb AR Scorpii esimeseks kinnitatud näiteks valge käbuse pulsariks, laiendades "pulsari" määratlust palju entsükliko objektitüübi tüübi järgi, mis andis sellele esialgsel nime.

Pulsarite otsimine jätkub üha võimekamaks muutumisega. Austraalia Parkesi radioteleskoopd tegi oma esimese pulsarivaatluse 1968. aastal ja on sellest saadik saaanud rahvuslikuks ikooniks, mis ilmub pulsari pildiga kõrvuti esimesel Austraalia 50-dollarise setelis. Hiljuti sai Hiina FAST radioteleskoopd – selle täisnimi on Five-hundred-metre Aperture Spherical Telescope – ühe võimsamatest instrumentidest, mis praegu taevast otsivad uusi pulsareid.

Tundlike uute jätkude ja aastakümete kannatliku andmete ajastamise vahel ei näita pulsari teadus aegastamise märke; objektid, mis algasid graafikpaberil seletamatu mustrina, on saanud üheks astrofüüsika produktiivsemaks tööriistaks.

• 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