Pulsar: Gwiazda o szerokości 30 kilometrów, która obraca się setki razy na sekundę

Pulsar nie może być szerszy niż 30 kilometrów, ale obraca się wokół osi setki razy na sekundę, wyrzucając wiązkę fal radiowych – i rzadziej wyższe promieniowanie energetyczne, takie jak promienie rentgenowskie. Ponieważ ta wiązka dociera do Ziemi tylko wtedy, gdy przypadkowo minie, radioteleskopy rejestrują ją jako szybki, regularny impuls, a nie stabilne światło, skąd pochodzi nazwa.

Astronomowie katalogują już ponad 2600 takich obiektów, większość z nich znajduje się w Drodze Mlecznej. Daleko od tego, aby być ciekawostką, katalog ten stał się funkcjonalnym zestawem narzędzi naukowych: naukowcy wykorzystują pulsary do szukania fal grawitacyjnych niskiej częstotliwości, mapowania struktury galaktyki i testowania ogólnej teorii względności Einsteina w warunkach, których żaden laboratorium na Ziemi nigdy nie mogłoby odtworzyć.

Poniżej znajduje się historia odkrycia pulsarów, dziwacznych rekordów, które niektóre z nich posiadają, oraz tego, czego nauczyło fizyków dziesięciolecia obserwacji o samej grawitacji.

W 1967 roku Jocelyn Bell Burnell odkryła pierwsze pulsary radiowe, podczas gdy wciąż pracowała nad doktoratem. Nie skanowała ekranu w poszukiwaniu sygnału – jej urządzenie do śledzenia produkowało ponad 30 metrów wykresów na papierze każdego dnia, a dziwne, stałe impulsy musiały być dostrzeżone gołym okiem pośród szumu.

Ten rodzaj cierpliwego, ręcznego przesiania danych łatwo jest zapomnieć, gdy odkrycie staje się fizyką podręcznikową, ale to dokładnie tak, jak niewyjaśniony sygnał stał się zupełnie nową klasą gwiazd.

W 1974 roku Antony Hewish i Martin Ryle stali się pierwszymi astronomami, którzy kiedykolwiek otrzymali Nagrodę Nobla w Fizyce, uhonorując ich częściowo za decydującą rolę Hewisha w ujawnieniu pulsarów. Pozostaje to jedną z najbardziej dyskutowanych Nagród Nobla w astronomii, ponieważ odkrycie, które to umożliwiło, było dokonaniem Bell Burnell: jej odkrycie zasługiwało na tę samą Nagrodę Nobla w Fizyce z 1974 roku, ale ona sama nie była wymieniona wśród odbiorców.

Epizod ten stał się standardowym punktem odniesienia w dyskusjach na temat uznania w nauce – nie dlatego, że ktoś kwestionuje jej odkrycie, ale ze względu na to, kogo komitet Nobla wybrał do nagrodzenia za jego znalezienie.

Nie wszystkie pulsary siedzą spokojnie w pustej przestrzeni. Pulsar Kraba zajmuje centrum Mgławicy Kraba, pozostałości supernowej, którą obserwatorzy ziemskiego widzieli w roku 1054 – wiele wieków zanim ktokolwiek zrozumiał, co widzieli.

Sam pulsar Kraba ma szerokość około 20 kilometrów, wystarczająco mały, aby zmieścić się w mieście o średniej wielkości, i wykonuje pełny obrót każde 33.392 milisekundy. Oznacza to, że jego wiązki mijają obserwatora 29,946 razy na sekundę – wystarczająco szybko, aby mgławica wokół niego świecała i migotała w rytmie rotacji.

Zwykłe pulsary są już szybkie, ale oddzielna klasa rozwija ideę znacznie dalej. PSR B1937+21 ma historyczne znaczenie: odkryty w 1982 roku, był to pierwszy pulsar milisekundowy kiedykolwiek zidentyfikowany i obraca się z prędkością około 641 obrotów na sekundę. Prawie pół wieku później nadal zajmuje drugie miejsce wśród około 200 znanych obecnie pulsarów milisekundowych – przypomnienie o tym, jak ekstremalne mogą być te obiekty.

Pulsary okazały się ukrywać jeszcze jedno zaskoczenie: planety. W 1992 roku Aleksander Wolszczan odkrył pierwsze kiedykolwiek potwierdzone planety pozasłoneczne, krążące wokół pulsara PSR B1257+12 – lata zanim ktokolwiek odkrył planetę wokół normalnej, podobnej do Słońca gwiazdy.

Jedna z planet tego systemu, sklasyfikowana jako PSR B1257+12 b, jest niezwykle mała: jej masa wynosi zaledwie poniżej dwukrotności Księżyca, co czyni ją najmniej masywnym obiektem kiedykolwiek potwierdonym poza Układem Słonecznym. Znalezienie jakiejkolwiek planety wokół pulsara było zaskakujące; znalezienie tak lekkiej było prawie przypadkowe.

W tym samym roku, gdy Hewish i Ryle zebrali swoją Nagrodę Nobla, fizycy Joseph Hooton Taylor Jr. i Russell Hulse już w 1974 roku odkryli coś być może równie ważnego: pierwszy znany pulsar obiegający inną gwiazdę, oznaczony jako PSR B1913+16. Ponieważ impulsy pulsaru docierają z precyzją zegara, pomiar ich czasu pozwolił fizykom zmierzyć ten system binarny z niezwykłą dokładnością.

Dziesięciolecia tego pomiarów czasowych dały oszacowania masy 1,4398 mas słonecznych dla pulsaru i 1,3886 mas słonecznych dla jego towarzysza – liczby wystarczająco dokładne, aby wykryć subtelną przewidywanie ogólnej teorii względności. Okres orbitalny pary zmniejsza się z prędkością 0,997 razy przewidywaną przez tłumienie fal grawitacyjnych teorii względności, mniej więcej tak blisko idealnego zgodności teorii i obserwacji, jak może być to w astrofizyce.

Prawie każdy znany pulsar to to, co astronomowie nazywają pulsarem gwiazdy neutronowej – ale nie wszystkie. W systemie binarnym AR Scorpii pulsujące światło pochodzi nie od gwiazdy neutronowej, ale od białego karła: wysoce zmagnetyzowanej pozostałości gwiazdy z siłą pola do 500 MG, której spowolnienie rotacji napędza impulsy w taki sam sposób, jak gwiazda neutronowa.

To czyni AR Scorpii pierwszym potwierdzonym przykładem pulsaru białego karła, rozszerzając definicję „pulsaru" daleko poza typ obiektu, który pierwotnie mu dał nazwę.

Poszukiwanie większej liczby pulsarów staje się coraz bardziej zdolne. Australijski radioteleskop Parkes wykonał swoją pierwszą obserwację pulsaru w 1968 roku i od tego czasu stał się ikoną narodową, pojawiającą się obok obrazu pulsaru na pierwszym australijskim banknocie $50. Niedawno chiński radioteleskop FAST – jego pełna nazwa to Five-hundred-metre Aperture Spherical Telescope – stał się jednym z najbardziej zaawansowanych instrumentów, które teraz skanują niebo w poszukiwaniu nowych pulsarów.

Pomiędzy czułymi nowymi przyrządami a dziesięcioleciami cierpliwych danych o pomiarach czasu, nauka pulsarów nie wykazuje żadnych oznak spowolnienia; obiekty, które zaczęły się jako niezrozumiały wzór na taśmie papieru milimetrowego, stały się jednym z najbardziej produktywnych narzędzi astrofizyki.

• 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