Pulsar: 30-kilometerstjärnan som roterar hundravis av gånger per sekund

En pulsar kan inte vara bredare än 30 kilometer, men den roterar på sin axel hundravis av gånger per sekund och kastar ut en stråle av radioböljar – och mer sällan högre energistrålning som röntgenstrålar. Eftersom den strålen bara når jorden när den tillfälligt passerar förbi, registrerar radioteleskopoket den som en snabb, regelbunden puls snarare än ett stadigt skimmer, vilket är där namnet kommer från.

Astronomer har nu katalogiserat mer än 2.600 av dessa objekt, de flesta inom Vintergatan. Långt från att vara en kuriosa har denna katalog blivit en fungerande vetenskaplig verktygslåda: forskare använder pulsarer för att söka efter gravitationsvågor med låg frekvens, kartlägga galaxens struktur och testa Einsteins allmänna relativitetsteori under förhållanden som inget laboratorium på jorden någonsin kunde återskapa.

Det som följer är historien om hur pulsarer upptäcktes, de märkliga rekord som vissa av dem håller, och vad decennier av observation har lärt fysiker om tyngdekraften själv.

1967 upptäckte Jocelyn Bell Burnell de första radioupulsarerna medan hon fortfarande arbetade på sin doktor. Hon skannde inte en skärm för signalen – hennes spårningsutrustning producerade mer än 30 meter penna- och papperdiagramuppgifter varje dag, och de märkliga stadiga pulserna var tvungna att upptäckas för blotta ögat bland bruset.

Den här typen av tålmodig manuell datascreening är lätt att glömma när en upptäckt blir läroboksfysik, men det är exakt hur en oförklarad signal blev en helt ny klass av stjärnor.

1974 blev Antony Hewish och Martin Ryle de första astronomerna någonsin som tilldelades Nobelpriset i fysik, ärade delvis för Hewishs avgörande roll i att få pulsarer i ljuset. Det är fortfarande ett av de mest omtvistade Nobelpriserna inom astronomi, för upptäckten som gjorde det möjligt var Bell Burnells: hennes upptäckt förtjänade samma Nobelpris i fysik 1974, men hon själv namngavs inte bland mottagarna.

Denna episod har blivit en standardreferenspunkt i konversationer om kredit inom vetenskap – inte för att någon tvivlar på vad hon fann, utan på grund av vilka Nobelkommittén valde att belöna för att ha gjort det.

Inte alla pulsarer sitter stilla i tomt rymd. Krabpulsaren upptar mitten av Krabbnebulosan, vraket av en supernova som jordiska observatörer såg brinna upp år 1054 – århundraden innan någon förstod vad de såg.

Krabpulsaren själv är ungefär 20 kilometer bred, liten nog att passa inne i en medelstor stad, och slutför en full rotation varje 33.392 millisekund. Det motsvarar att dess strålar sveper förbi en observatör 29.946 gånger varje sekund – snabbt nog att nebulosan omkring det glöder och fladdrar i takt med rotationen.

Vanliga pulsarer är redan snabba, men en separat klass driver idén mycket längre. PSR B1937+21 har en historisk titel: hittade 1982, det var den första millisekundpulsaren som någonsin identifierades, och den roterar med ungefär 641 varv per sekund. Nästan ett halvsekel senare rankas det fortfarande som det näst snabbaste bland de ungefär 200 millisekundpulsarer som nu är kända – en påminnelse om hur extrem dessa objekt kan bli.

Pulsarer visade sig dölja en annan överraskning: planeter. 1992 fann Aleksander Wolszczan de första exoplaneternas någonsin bekräftade omloppsbanor kring pulsaren PSR B1257+12 – år innan någon upptäckte en planet runt en normal, solliknande stjärna.

En av planeterna i det systemet, katalogiserad som PSR B1257+12 b, är anmärkningsvärt liten: dess massa kommer i precis under det dubbla av månen, vilket gör den fortfarande det minst massiva föremål som någonsin bekräftats bortom solsystemet. Att hitta någon planet runt en pulsar var häpnadsväckande; att hitta en så lätt var nästan en olycka.

Samma år då Hewish och Ryle samlade sitt Nobelpris hade fysiker Joseph Hooton Taylor Jr. och Russell Hulse redan hittat något möjligen lika viktigt, redan 1974: den första pulsaren som kände till att kretsa runt en annan stjärna, kallad PSR B1913+16. Eftersom en pulsars pulser anländer med klockliknande regelbundenhet, gjorde timing av dem det möjligt för fysiker att mäta det binära systemet med extraordinär noggrannhet.

Decennier av denna timing gav massuppsättningar på 1,4398 solmassa för pulsaren och 1,3886 solmassa för dess följeslagare – siffror tillräckligt noggranna för att detektera en subtil förutsägelse om allmän relativitet. Parens omloppsperiod krymper med 0,997 gånger den hastighet som relativitetens gravitationsvågors dämpning förutsäger, ungefär så nära perfekt överensstämmelse mellan teori och observation som astrofysik kan uppnå.

Nästan varje känd pulsar är vad astronomer kallar en neutronstjärnepulsar – men inte alla. I det binära systemet AR Scorpii kommer det pulserade ljuset inte från en neutronstjärna utan från en vit dvärg: en starkt magnetiserad stjärnrest, med en fältstyrka upp till 500 MG, vars rotation driver pulserna på samma sätt som en neutronstjärna skulle göra.

Det gör AR Scorpii till det första bekräftade exemplet på en vit dvärg-pulsar, vilket sträcker definitionen av "pulsar" långt bortom den objekttyp som ursprungligen gav den ett namn.

Sökandet efter fler pulsarer blir allt mer kapabelt. Australiens Parkes radioteleskop gjorde sin första pulsarobservation redan 1968 och har sedan dess blivit en nationell ikon, som syns tillsammans med en pulsarbild på den första australiska 50-dollarsedeln. Nyligen har Kinas FAST-radioteleskop – dess fullständiga namn är Five-hundred-metre Aperture Spherical Telescope – blivit ett av de mest kraftfulla instrumenten som nu skannar himlen för nya pulsarer.

Mellan känsliga nya rätter och decennier av tålmodig timinningdata visar pulsar science ingen tecken på att sakta ned; objekten som började som ett oförklarat mönster på en pappersstrimmel har blivit ett av astrofysikens mest produktiva verktyg.

• 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