Pulsar: De 30 kilometer sterretje dat honderden keren per seconde draait

Een pulsar kan niet breder zijn dan 30 kilometer, maar hij draait honderden keren per seconde om zijn as, en stuwt daarbij een bundel radiogolven uit – en minder vaak, hogerenergiestraling zoals röntgenstraling. Omdat die bundel de aarde alleen bereikt als hij toevallig voorbijgaat, registreren radiootelescopen het als een snelle, regelmatige puls in plaats van een stabiele gloed, waarvan de naam afkomstig is.

Astronomen hebben inmiddels meer dan 2600 van deze objecten in kaart gebracht, waarvan het merendeel in de Melkweg zich bevindt. Verre van een curiositeit, is die catalogus uitgegroeid tot een werkend wetenschappelijk gereedschapskist: onderzoekers gebruiken pulsars om zoeking naar lage-frequentie zwaartekrachtsgolven, het in kaart brengen van de structuur van de sterrenstelsel, en Einsteins algemene relativiteitstheorie testen onder omstandigheden die geen laboratorium op aarde ooit zou kunnen recreëren.

Wat volgt is het verhaal van hoe pulsars werden ontdekt, de vreemde recordjes die sommigen van hen houden, en wat decennia van ze in de gaten houden natuurkundigen over zwaartekracht zelf hebben geleerd.

In 1967 ontdekte Jocelyn Bell Burnell de eerste radiospulsars terwijl ze nog aan haar doctoraal werkte. Ze scande geen scherm voor het signaal – haar traceeringstapje produceert meer dan 30 meter pen-en-papierkaartregistraties elke dag, en de vreemde, regelmatige blips moeten met het blote oog tussen de ruis opgemerkt worden.

Dat soort geduldig, handmatig datazeving is gemakkelijk te vergeten zodra een ontdekking natuurkunde uit schoolboeken wordt, maar het is precies hoe een onverklaard signaal in een volledig nieuwe sterrenklasse veranderde.

In 1974 werden Antony Hewish en Martin Ryle de eerste astronomen ooit die de Nobelprijs voor Natuurkunde ontvingen, gehuldigd onder meer voor Hewishs cruciale rol in het aan het licht brengen van pulsars. Het blijft een van de meest betwiste Nobelprijzen in de astronomie, omdat de ontdekking die het mogelijk maakte die van Bell Burnell was: haar ontdekking verdiende dezelfde Nobelprijs voor Natuurkunde van 1974, maar zij zelf werd niet genoemd onder de ontvangers.

Dit moment is een standaardreferentie geworden in gesprekken over krediet in de wetenschap – niet omdat iemand twijfelt aan wat zij vond, maar vanwege wie het Nobelcomité koos om voor het vinden ervan beloond te worden.

Niet alle pulsars zitten rustig in de lege ruimte. De Krabpulsar neemt het centrum van de Krabbelnebulose in, het puin van een supernova die aardobservators in het jaar 1054 zagen ontflammen – eeuwen voordat iemand begreep wat zij zagen.

De Krabpulsar zelf is ongeveer 20 kilometer in doorsnede, klein genoeg om in een middelgrote stad te passen, en voert elke 33.392 milliseconde een volledige rotatie uit. Dat betekent dat zijn bundels een waarnemer 29.946 keer per seconde voorbijgaan – snel genoeg dat de nevel eromheen gloeit en flakkert in het ritme van de rotatie.

Gewone pulsars zijn al snel, maar een afzonderlijke klasse drijft het idee veel verder. PSR B1937+21 heeft een historische titel: gevonden in 1982, het was de eerste millisecondefrequente pulsar ooit geïdentificeerd, en hij draait op ongeveer 641 omwentelingen per seconde. Bijna een halve eeuw later is het nog steeds de op één na snelste onder de ongeveer 200 millisecondenfrequente pulsars nu bekend – een herinnering aan hoe extreem deze objecten kunnen worden.

Pulsars bleken nog een verrassing te verbergen: planeten. In 1992 vond Aleksander Wolszczan de eerste buitensolaire planeten ooit bevestigd, ronddraaiend om de pulsar PSR B1257+12 – jaren voordat iemand een planeet om een normale, zonachtige ster opmerkte.

Een van de planeten van dat stelsel, geclassificeerd als PSR B1257+12 b, is opvallend klein: zijn massa is iets minder dan tweemaal die van de Maan, waardoor het nog steeds het minst massieve object is dat ooit buiten ons zonnestelsel is bevestigd. Elke planeet om een pulsar vinden was al verbluffend; een zo lichte vinden was bijna toevallig.

Hetzelfde jaar waarin Hewish en Ryle hun Nobelprijs ophaalde, hadden natuurkundigen Joseph Hooton Taylor Jr. en Russell Hulse al iets mogelijk net zo belangrijk gevonden, in 1974: de eerste pulsar bekend om een ander ster te omcirkelen, aangeduid PSR B1913+16. Omdat de pulsen van een pulsar met kloksgewijsheid arriveren, stelde het ze in staat het timing de natuurkundigen in staat dat binaire stelsel met buitengewone nauwkeurigheid te meten.

Tientallen jaren van dat timing brachten massaschattingen van 1,4398 zonnemassa's voor de pulsar en 1,3886 zonnemassa's voor zijn metgezel op – cijfers nauwkeurig genoeg om een subtiele voorspelling van de algemene relativiteitstheorie op te pikken. De omloopperiode van het paar krimpt met 0,997 keer de snelheid die relativiteits zwaartekrachtstralingdemping voorspelt, ongeveer zo dicht bij een perfecte overeenkomst tussen theorie en waarneming als astrofysica kan bereiken.

Bijna elke bekende pulsar is wat astronomen een neutronensterpulsar noemen – maar niet allemaal. In het binaire stelsel AR Scorpii komt het gepulseerde licht niet van een neutronster maar van een witte dwerg: een sterk magnetische stellaire restant, met een veldsterkte tot 500 MG, wiens afremmend draaien de pulsen op dezelfde manier aandrijft als een neutronster.

Dat maakt AR Scorpii het eerste bevestigde voorbeeld van een witte dwerg-pulsar, waarmee de definitie van "pulsar" ver buiten het objecttype wordt uitgebreid dat het oorspronkelijk een naam gaf.

De zoektocht naar meer pulsars wordt steeds sterker. Australië's Parkes-radioot Électroscoop deed zijn eerste pulsarbegrip in 1968 en is sindsdien een nationaal icoon geworden dat naast een pulsarafbeelding op de eerste Australische 50-dollarbiljet verschijnt. Recentelijk is Chinas FAST-radiootéléscoop – de volledige naam ervan is de Five-hundred-metre Aperture Spherical Telescope – een van de meest krachtige instrumenten geworden die nu naar nieuwe pulsars aan het firmament scannen.

Tussen gevoelige nieuwe gerechten en tientallen jaren van geduldige timingegevens, pulsar wetenschappen toont geen tekenen van vertraag; de objecten die begonnen als onverklaard patroon op een reep diagrampapier zijn tot een van astrofysica meest productieve gereedschappen geworden.

• 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