Pulsari: 30 kilometrin tähtä, joka pyörii satoja kertoja sekunnissa

Pulsari ei voi olla leveämpi kuin 30 kilometriä, mutta se pyörii akselinsa ympäri satoja kertoja sekunnissa, heittäen ulos radioaaltojen kimpun – ja harvemmin suurempienergiaista säteilyä, kuten röntgensäteitä. Koska kyseinen kimppu saavuttaa Maan vain silloin, kun se sattuu kulkemaan ohi, radio teleskoopit tallentavat sen nopeaksi, säännölliseksi pulsiksi eikä tasaiseksi hohkaksi, mistä nimi tulee.

Tähtitieteilijät ovat nyt luetteloineet yli 2600 näistä esineistä, joista suurin osa on Linnunradassa. Kaukana siitä, että olisi pelkkä uteliaisuus, kyseinen luettelo on tullut toimivaksi tieteelliseksi työkaluseksi: tutkijat käyttävät pulssareita matalan taajuuden gravitaatioaaltojen etsintään, galaksin rakenteen kartoittamiseen ja Einsteinin yleisen suhteellisuusteorian testailuun olosuhteissa, joita mikään Maan laboratorio ei voisi koskaan toistaa.

Seuraavassa on tarina siitä, kuinka pulssarit löydettiin, oudot ennätykset, joita joillain on, ja mitä vuosikymmenien tarkkailusta fyysikot ovat oppineet painovoimasta itsessään.

Vuonna 1967 Jocelyn Bell Burnell löysi ensimmäiset radiopulssarit ollessaan vielä väitöskirjaansa tekemässä. Hän ei skannaa näyttöä signaalista – hänen jäljityslaitteensa tuotti yli 30 metriä kynällä ja paperilla tehtyjä kaavioita joka päivä, ja oudot, tasaiset pulssit oli löydettävä paljain silmin melun seasta.

Tämänlainen kärsivällinen, manuaalinen tietojen seulonta on helppo unohtaa, kun löytö tulee oppikirjan fysiikaksi, mutta se on juuri se, miten selittämätön signaali muuttui kokonaan uudeksi tähtityypiksi.

Vuonna 1974 Antony Hewish ja Martin Ryle tulivat ensimmäisiksi tähtitieteilijöiksi, joille myönnettiin Nobelin fysiikan palkinto, kunnia osittain Hewishin ratkaisevasta roolista pulssareiden valottamisessa. Se on yksi astronomian kiistanalaisimmista Nobelin palkinnoista, koska löytö, joka teki sen mahdolliseksi, oli Bell Burnellin: hänen löytönsä ansaitsi saman 1974 Nobelin fysiikan palkinnon, mutta häntä itseään ei nimetty saajien joukossa.

Tapaus on tullut standardi viitteeksi tieteessä annetusta tunnustuksesta käytävissä keskusteluissa – ei siksi, että kukaan epäilisi mitä löydettiin, vaan siksi, ketä Nobelin komitea päätti palkita sen löytämisestä.

Kaikki pulssarit eivät istu hiljaa tyhjässä avaruudessa. Puu-Krabun pulsari sijaitsee Puu-Krabun sumun keskellä, supernoovan jäätteillä, jonka Maan havaitsijat näkivät loistavan vuonna 1054 – vuosisatoja ennen kuin kukaan ymmärsi, mitä näkivät.

Puu-Krabun pulsari itse on noin 20 kilometriä leveä, pieni tarpeeksi mahtua keskikokoisen kaupungin sisälle, ja se suorittaa yhden täyden kierroksen 33.392 millisekunnissa. Se tarkoittaa, että sen säteet pyyhkivät havainnoitsijan ohi 29 946 kertaa sekunnissa – niin nopeasti, että sen ympärillä oleva sumu loistaa ja välähtää pyörimisen tahdissa.

Tavalliset pulssarit ovat jo nopeita, mutta erillinen luokka vie ideaa paljon pidemmälle. PSR B1937+21 omistaa historiallisen nimen: löydettiin vuonna 1982, se oli ensimmäinen millisekundin pulsari, joka koskaan tunnistettiin, ja se pyörii noin 641 kierrosta sekunnissa. Lähes puoli vuosisataa myöhemmin se on silti toiseksi nopein noin 200 millisekundin pulsaarin joukosta, jota nyt tunnetaan – muistutus siitä, kuinka äärimmäisiä nämä objektit voivat olla.

Pulssarit paljastuivat piilottavan toisen yllätyksen: planeetat. Vuonna 1992 Aleksander Wolszczan löysi ensimmäiset avaruuden ulkopuolella olevat planeetat, jotka on koskaan vahvistettu, kiertäen pulsaria PSR B1257+12 – vuosia ennen kuin kukaan havaitsi planeetta normaalin aurinkokupin kaltaisen tähden ympärillä.

Yksi tämän järjestelmän planeetoista, luokiteltu PSR B1257+12 b, on huomattavan pieni: sen massa on hieman pienempi kuin Kuun kaksinkertaisesti, mikä tekee siitä edelleen vähiten massiivisen objektin, joka on koskaan vahvistettu aurinkokunnan ulkopuolella. Minkään planeetan löytäminen pulsarin ympärillä oli hämmästyttävää; niin kevyen löytäminen oli lähes vahingossa.

Samana vuonna, jolloin Hewish ja Ryle keräsivät Nobelin palkintonsa, fyysikot Joseph Hooton Taylor Jr. ja Russell Hulse olivat jo löytäneet jotain yhtä tärkeää, takaisin vuonna 1974: ensimmäisen tunnetun pulsarin, joka kiertää toista tähteä, nimetty PSR B1913+16. Koska pulsarin pulssit saapuvat kellon tarkkuudella, niiden ajoitus antoi fyysikoille mahdollisuuden mitata kyseisen binäärijärjestelmän poikkeuksellisella tarkkuudella.

Vuosikymmenen ajoitus tuotti massan arvioita 1,4398 aurinkomassaa pulsarille ja 1,3886 aurinkomassaa sen kumppanille – luvut, jotka ovat tarpeeksi tarkkoja havaita yleisen suhteellisuusteorian hienovarainen ennustus. Parin kiertoradalla on lyhenenemään 0,997 kertaa nopeudella, jonka suhteellisuusteorian gravitaatiosäteilyi vaimennus ennustaa, noin yhtä lähellä täydellistä vastaavuutta teorian ja havainnon välillä kuin astrofysiikassa voidaan päästä.

Lähes kaikki tunnetut pulssarit ovat sitä, mitä tähtitieteilijät kutsuvat neutronitähtipulsariksi – mutta eivät kaikki. Binäärjärjestelmässä AR Scorpii pulsivaa valoa ei tule neutronitähdestä vaan valkoisesta kääpiöstä: erittäin magnetoidusta tähtijäänteestä, jonka kentän voimakkuus on jopa 500 MG, jonka pyörimisen hidastuminen syöttää impulsseja samalla tavalla kuin neutronitähti.

Se tekee AR Scorpiista ensimmäisen vahvistetun esimerkin valkoisen kääpiön pulsarista, laajentaen "pulsarin" määritelmää kauas alkuperäisen objektityypin ulkopuolelle.

Useiden pulssareiden etsinnän kyky jatkaa kasvamista. Australiassa Parkes-radiotelesko teki ensimmäisen pulsarin havaintonsa vuonna 1968 ja on sen jälkeen tullut kansalliseksi ikoniksi, näkyen pulsarin kuvaa rinnalla ensimmäisessä australialaisessa 50 dollarin setelissä. Äskettäin Kiinan FAST-radiotelesko – sen täysi nimi on Five-hundred-metre Aperture Spherical Telescope – on tullut yhdeksi tehokkaimista välineistä, joilla nyt skannataan taivasta uusien pulssareiden etsimiseksi.

Herkkien uusien astioiden ja vuosikymmenten kärsivällisen ajoitustiedon välillä, pulsareiden tiede ei näytä hidastumisen merkkejä; objektit, jotka alkoivat selittämättömänä kuviona paperin nauharullalla, ovat tulleet yhdeksi astrofysiikan tuottavimmista työkaluista.

• 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