Pulsar: 30-kilometrová hviezda, ktorá sa točí stovky krát za sekundu

Pulsar nemôže byť širší ako 30 kilometrov, ale otáča sa okolo svojej osi stovky krát každú sekundu a vyhadzuje lúč rádiových vĺn – a menej často vyššiu energetické žiarenie ako röntgenové žiarenie. Pretože tento lúč dosiahne Zem iba vtedy, keď náhodou prejde okolo, radiotelesköpy ho zaznamenávajú ako rýchly, pravidelný puls skôr ako stabilný svit, odkiaľ pochádza meno.

Astronómovia teraz katalogizujú viac ako 2 600 takýchto objektov, väčšinou v Mliečnej dráhe. Ďaleko od toho, aby bola zvedavosťou, sa tento katalóg stal funkčným vedeckým súborom nástrojov: vedci používajú pulsary na vyhľadávanie gravitačných vĺn s nízkou frekvenciou, mapovanie štruktúry galaxie a testovanie Einsteinovej všeobecnej teórie relativity za podmienok, ktoré žiadna pozemská laboratórium nikdy nemohla reprodukovať.

Nasleduje príbeh o tom, ako boli pulsary objavené, zvláštne rekordy, ktoré niektoré z nich držia, a čo desiatky rokov pozorovania naučili fyzikov o samotnej gravitácii.

V roku 1967 objavila Jocelyn Bell Burnell prvé rádiové pulsary, zatiaľ čo stále pracovala na svojom PhD. Neskenovala obrazovku na signál – jej vybavenie na sledovanie vytváralo viac ako 30 metrov pero-papierovej grafikovej záznamy každý deň, a zvláštne, stabilné impulsy museli byť zistené holým okom medzi šumom.

Tento typ trpezlivého, manuálneho triedenia údajov sa dá ľahko zabudnúť, keď sa objav stane fyziky učebníc, ale je to presne tak, ako sa nevysvetlený signál stal úplne novou triedou hviezd.

V roku 1974 sa Antony Hewish a Martin Ryle stali prvými astronómami, ktorí kedy dostali Nobelovu cenu za fyziku, vážení čiastočne za Hewishovu rozhodujúcu úlohu pri osvetlení pulsarov. Zostáva to jednou z najdiskutovanejších Nobelových cien v astronómii, pretože objav, ktorý ho umožnil, bol Bell Burnelliným: jej objav si zaslúžil tú istú Nobelovu cenu za fyziku z roku 1974, ale ona sama nebola medzi príjemcami menovaná.

Epizóda sa stala štandardným referenčným bodom v rozhovoroch o kredite vo vede – nie preto, lebo by niekto pochyboval, čo našla, ale kvôli tomu, koho si Nobelov výbor zvolil na ocenenie za to, že to našiel.

Nie všetky pulsary sedí pokojne v prázdnom priestore. Pulsar Kraba zaujíma centrum Hmly Kraba, pozostatky supernovy, ktorú pozemskí pozorovatelia videli v roku 1054 – storočia predtým, ako niekto pochopil, čo videli.

Pulsar Kraba samotný je asi 20 kilometrov na šírku, dosť malý na to, aby sa zmestil do mesta strednej veľkosti, a vykonáva úplnú rotáciu každých 33.392 milisekúnd. To znamená, že jeho lúče prechádzajú pozorovateľom 29 946 krát každú sekundu – dostatočne rýchlo na to, aby sa hmlovina okolo neho svietila a blikala v rytme rotácie.

Bežné pulsary sú už rýchle, ale oddelená trieda posúva túto myšlienku oveľa ďalej. PSR B1937+21 má historický titul: objavený v roku 1982, bol to prvý milisekundový pulsar kedy identifikovaný a točí sa približne 641 otáčkami za sekundu. Takmer pol storočia neskôr je stále druhý najrýchlejší medzi približne 200 teraz známymi miliisekundovými pulsarmi – pripomienka toho, ako extrémne tieto objekty môžu byť.

Pulsary sa ukázali skrývať ďalšie prekvapenie: planéty. V roku 1992 Aleksander Wolszczan našiel prvé kedy potvrdené mimoslnečné planéty obierajúce pulsar PSR B1257+12 – roky predtým, ako ktokoľvek zistil planétu okolo normálnej, slnko-podobnej hviezdy.

Jedna z planét tohto systému, katalogizovaná ako PSR B1257+12 b, je pozoruhodne malá: jej hmotnosť je len o niečo menej ako dvojnásobku Mesiaca, čo ju činí stále najmenej hmotným objektom kedy potvrdeným mimo Slnečnej sústavy. Nájsť akúkoľvek planétu okolo pulsaru bolo prekvapujúce; nájsť také ľahké bolo skoro náhodou.

Rovnaký rok, keď Hewish a Ryle zbierali svoju Nobelovu cenu, fyzici Joseph Hooton Taylor Jr. a Russell Hulse už v roku 1974 našli niečo možno rovnako dôležité: prvý známy pulsar obiehajúci ďalšiu hviezdu, označený PSR B1913+16. Pretože impulsy pulsaru prichádzajú s hodinami presnosťou, umožnilo ich načasovanie fyzikom merať tento binárny systém s mimoriadnou presnosťou.

Desaťročia tohto načasovania poskytli odhady hmotnosti 1,4398 slnečné hmotnosti pre pulsar a 1,3886 slnečné hmotnosti pre jeho sprievodcu – čísla dosť presné na detekciu jemnej predpovedi všeobecnej relativity. Orbitálna perióda páru sa zmenšuje s 0,997 násobkom rýchlosti, ktorú predpovedá tlmenie gravitačného žiarenia relativity – približne tak blízko dokonalému súladu medzi teóriou a pozorovaním, ako sa astrofyzika môže prближať.

Takmer každý známy pulsar je to, čo astronómovia nazývajú neutrónovým pulsarom – ale nie všetci. V binárnom systéme AR Scorpii pulsujúce svetlo nepochádza z neutrónovej hviezdy, ale od bielého trpaslíka: silne magnetizovaného zvyšku hviezdy s intenzitou poľa až do 500 MG, ktorého spomalenie rotácie poháňa pulzy rovnakým spôsobom ako neutrónová hviezda.

To robí AR Scorpii prvým potvrdeným príkladom pulsaru bielych trpaslíkov, rozširujúc definíciu "pulsaru" ďaleko za typ objektu, ktorý mu pôvodne dal meno.

Hľadanie viac pulsarov pokračuje v bejzbaloch. Austrálsky rádioteleskop Parkes vykonal svoje prvé pozorovanie pulsara v roku 1968 a od tej doby sa stал národnou ikonou, ktorá sa objavuje s obrázkom pulsaru na prvej australskej bankovke 50 dolárov. Nedávno sa čínsky rádioteleskop FAST – jeho plné meno je Five-hundred-metre Aperture Spherical Telescope – stal jedným z najpotentnejších nástrojov, ktoré teraz skenujú oblohu na nových pulzárov.

Medzi citlivými novými posudami a desaťročiami trpezlivých údajov načasovania, pulzárová veda neukazuje žiadne znamení spomalenia; objekty, ktoré začali ako nevysvetlený vzor na páse grafického papiera, sa stali jedným z najproduktívnejších nástrojov astrofyziky.

• 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