Wyryj jedną łyżeczkę materii gwiazdy neutronowej i będzie ważyć około 900 razy więcej niż Wielka Piramida w Gizie. Nic w tym zdaniu nie jest przesadą — to po prostu to, co dzieje się, gdy rdzeń umierającej gwiazdy zostaje ściśnięty poza punkt, w którym atomy mogą utrzymać swoją kształt.
Gwiazda neutronowa to to, co pozostaje po upadku masywnej gwiazdy. To nie planeta, nie zwykła gwiazda i nie do końca czarna dziura — siedzi w wąskiej strefie tuż przed tym, jak grawitacja całkowicie wygra. Od odkrycia Jocelyn Bell Burnell astronomowie znaleźli coraz dziwniejsze przykłady, od gwiazd obracających się szybciej niż mikser kuchenny do gwiazd, których pola magnetyczne mogłyby wymazać kartę kredytową z półway do Księżyca.
Gwiazda ścieśnięta do wielkości miasta
Weź gwiazdę o masie około 1,4 razy większej niż Słońce i ściśnij ją w sferę o średnicy zaledwie około 10 kilometrów (6 mil), a otrzymasz gwiazdę neutronową. To mniej więcej szerokość małego miasta, zawierające masę gwiazdy, która kiedyś paliła się przez miliony lat w średnicy, którą mogłbyś przejechać w kilka minut.
Ściskanie jest tak ekstremalne, że zwykła materia nie może tego przetrwać. Protony i elektrony są zmuszane razem w neutrony, stąd nazwa obiektu. Wynik jest tak gęsty, że jedna łyżeczka tego ważyłaby około 900 razy więcej niż Wielka Piramida w Gizie — fakt, który przestaje brzmieć abstrakcyjnie w momencie, w którym próbujesz wyobrazić sobie tak ciężką łyżeczkę na blacie kuchenny.
Punkt, w którym nawet gwiazda neutronowa się poddaje
Gwiazdy neutronowe mają limit wagi, a jego przekroczenie oznacza zostanie czarną dziurą. Zdarzenie fuzji 2017 GW170817, które uważa się za upadłe w czarną dziurę wkrótce po zderzeniu, pozwoliło astronomom wykorzystać sygnał fal grawitacyjnych do ustawienia tego limitu na około 2,17 mas słonecznych dla gwiazdy neutronowej, która się nie obraca.
Prawdziwe gwiazdy neutronowe zbliżają się niezwykle bliski do tej granicy. Najmasywniejsza dotychczas potwierdzona, pulsar katalogizowany jako PSR J0952-0607, waży około 2,35 mas słonecznych, z rzeczywistą liczbą niepewną około 0,17 w obie strony. To umieszcza ją dokładnie na granicy, gdzie nieco cięższa wersja tego samego obiektu przestałaby być gwiazdą.
Niektóre z nich obracają się szybciej niż mikser
Ponieważ zapadasająca się gwiazda zachowuje większość swojej pierwotnego obrotu podczas kurczenia się do ułamka swojej poprzedniej wielkości, gwiazdy neutronowe w końcu obracają się z prędkościami, które nie mają porównania codziennego. Rekordzista, pulsar o nazwie PSR J1748-2446ad, ukończy 716 obrotów co sekundę — to wynosi 42 960 obrotów na minutę, z materiałem na powierzchni poruszającym się z około ćwierć prędkością światła.
Obracające się gwiazdy neutronowe promieniujące w kierunku Ziemi nazywane są pulsarami, ponieważ z naszej perspektywy wiązka wygląda jak rytmiczny puls, podobnie jak latarnia morska zmieniająca statek. Typowy ma zaledwie około 30 kilometrów szerokości, ale mimo to udaje się mu obracać setki razy na sekundę, wystrzelując tę wiązkę fal radiowych — i czasami promieni rentgenowskich — w kosmos.
Rejestrator graficzny, 57 kortów tenisowych i niedocenione odkrycie
Pulsary zostały odkryte prawie przypadkiem. Doktorantka z Cambridge o imieniu Jocelyn Bell pomogła w budowie radioteleskopu, który pokrywał nieco poniżej dwa hektary ziemi, mniej więcej ten sam obszar co 57 kortów tenisowych. Zamiast ekranu produkował wyniki w analogowy sposób: zapisy graficznych piórem na papierze, które rozciągały się na ponad 30 metrów każdego dnia, które musiała ręcznie przeszukiwać.
Pochowany w tym papierze był sygnał zbyt regularny, aby być szumem. Bell i jej opiekun Antony Hewish opublikowali odkrycie w czasopiśmie Nature, a odkrycie ostatecznie wygrało Nagrodę Nobla — ale gdy Nagroda Nobla w dziedzinie Fizyki 1974 została przyznana, honor przypadł Hewishowi i jego kolegze Martinowi Rylowi, a nie samej Bell, decyzja, którą fizycy dyskutują do dziś.
Polowanie na pulsary przeszło długą drogę od stosu wydruków papierowych. Astronomowie teraz skatalogowali ponad 2600 z nich, głównie w Galaktyce, i używają ich do poszukiwania fal grawitacyjnych o niskiej częstotliwości, mapowania struktury galaktyki i testowania ogólnej teorii względności Einsteina. Australijski radioteleskop Parkesa, który dokonał pierwszej obserwacji pulsara w 1968 roku, pojawił się później obok obrazu pulsara na pierwszym australijskim banknocie 50 dolarów — rzadki przypadek instrumentu naukowego na walucie.
Magnetary: Najsilniejsze magnesy we wszechświecie
Niektóre gwiazdy neutronowe idą jeszcze dalej w ekstremach. Magnetary to podklasa o polach magnetycznych tak potężnych, że zwykła fizyka zaczyna się wokół nich wygynać, a od lipca 2021 roku astronomowie potwierdzili 24 z nich.
Skala tego magnetyzmu jest trudna do przesadzenia. Umieszczony w połowie drogi między Ziemią a Księżycem — których średnia separacja wynosi 384 400 kilometrów (238 900 mil) — pole magnetaru nadal mogłoby wymazać dane na paska magnetycznym każdej karty kredytowej na planecie. Zbliżenie się do jednego w rzeczywistym życiu byłoby bardzo złym pomysłem, a na szczęście najbliżej znane magnetary są gdziekolwiek blisko.
Gdy dwa z nich zderzają się
Gwiazdy neutronowe czasami obiegają się wystarczająco blisko, aby spiralować i łączyć się, a wynik to jedno z najnasłabszych zdarzeń, które astronomowie mogą obserwować. Fale grawitacyjne z dokładnie takiego zderzenia, nazwane GW170817, dotarły do obserwatoriów LIGO i Virgo 17 sierpnia 2017; źródłem były dwie gwiazdy neutronowe łączące się w NGC 4993, galaktyce w konstelacji Hydra około 140 milionów lat świetlnych od Ziemi.
To fuzja nie była odosobnionym przypadkiem. Błysk promieniowania gamma zwany GRB150101B, podejrzewany o podobne zdarzenie fuzji, został prześledzony do lokalizacji znacznie dalszej od Ziemi — około 1,7 miliarda lat świetlnych — co sugeruje, że te zderzenia występują częściej we wszechświecie niż jakakolwiek pojedyncza detekcja mogłaby pokazać. Uważa się, że każda fuzja kuty ciężkie elementy, których nie może wytwarzać żadna zwykła gwiazda, zasiać wszechświat materiałem, który ostatecznie trafia na planety i ewentualnie w biżuterię.
Dziwna towarzystwo: Lęk pozaziemski i okładka albumu
Gwiazdy neutronowe zostawiły ślad daleko poza czasopismami astronomicznych. Potwierdzeni planety poza naszym Układem Słonecznym zostały odkryte w 1992 roku i wcale nie obiegały zwykłą gwiazdę — obiegały pulsar PSR B1257+12, odkrycie, które zaskoczyło badaczy szukających planet wokół gwiazd podobnych do Słońca.
Dziesiątki lat wcześniej sam pierwszy sygnał pulsara był tak dokładnie regularny, że naukowcy krótko się zastanawiali, czy mogłaby to być sztuczna latarnia. Nie była, ale diagram jego rytmicznego sygnału zyskał nieprawdopodobne drugie życie: angielska grupa post-punk Joy Division wybrała ten diagram pulsara jako dzieło sztuki dla Unknown Pleasures, albumu z 1979 roku, który zakończył ich debiut — zamieniając czytanie fizyki w jeden z najbardziej rozpoznawalnych obrazów w muzyce rockowej.