Пульсар: зірка завширшки 30 кілометрів, яка обертається сотні разів на секунду

Пульсар не може бути ширшим за 30 кілометрів, але він обертається на своїй осі сотні разів на секунду, викидаючи пучок радіохвиль – і менше часто – випромінювання вищої енергії, таке як рентгенівське. Оскільки цей пучок досягає Землі лише тоді, коли він випадково проходить повз, радіотелескопи записують його як швидкий, регулярний імпульс, а не як постійне сяяння, звідси й походить назва.

Астрономи тепер каталогізували понад 2600 таких об'єктів, більшість із яких всередині Млакового Шляху. Далеко не будучи цікавістю, цей каталог став функціональним научним набором інструментів: дослідники використовують пульсари для пошуку гравітаційних хвиль низької частоти, картування структури галактики та тестування загальної теорії відносності Ейнштейна в умовах, які жоден лабораторій на Землі не міг би коли-небудь відтворити.

Далі йде історія того, як були знайдені пульсари, дивні рекорди, які деякі з них утримують, та те, що десятиліття спостереження навчило фізиків про саму гравітацію.

У 1967 році Джосельн Белл Бернелл знайшла перші радіопульсари, працюючи над своєю докторською дисертацією. Вона не сканувала екран у пошуках сигналу – її обладнання для відстеження виробляло понад 30 метрів записів на папері кожен день, і дивні, постійні імпульси довелося помічати голосно серед шуму.

Цей вид терпеливого, ручного сортування даних легко забути, як тільки відкриття стає фізикою підручника, але це саме те, як невідповідний сигнал перетворився в абсолютно новий клас зірок.

У 1974 році Антоні Гевіш та Мартін Райл стали першими астрономами, яким коли-небудь присуджувалася Нобелівська премія з фізики, награждені частково за вирішальну роль Гевіша у висвітленні пульсарів. Це залишається однією з найбільш обговорюваних Нобелівських премій в астрономії, тому що відкриття, яке це зробило можливим, було відкриттям Белл Бернелл: її відкриття заслуговувало ту ж Нобелівську премію з фізики 1974 року, але вона сама не була названа серед одержувачів.

Цей епізод став стандартною точкою посилання в розмовах про визнання в науці – не тому, що хто-небудь сумнівається у тому, що вона знайшла, а тому, кого комітет Нобелівської премії вибрав для награждення за те, що вона це знайшла.

Не всі пульсари сидять мирно в порожньому космосі. Пульсар Краба займає центр туманності Краба, залишків наднової, яку спостерігачі на Землі бачили сяяти в році 1054 – століття перед тим, як хто-небудь розумів, що вони бачили.

Сам пульсар Краба має приблизно 20 кілометрів завширшки, досить малий, щоб поміститися в місто середнього розміру, і виконує повний оберт кожні 33 392 мілісекунди. Це означає, що його пучки проходять повз спостерігача 29,946 разів на секунду – досить швидко, щоб туманність навколо нього світила й миготіла в ритмі обертання.

Звичайні пульсари вже швидкі, але окремий клас розвиває ідею набагато далі. PSR B1937+21 має історичний титул: виявлений у 1982 році, це був перший мілісекундний пульсар, коли-небудь ідентифікований, і він обертається приблизно на 641 оберт на секунду. Майже півстоліття пізніше він досі займає друге місце серед приблизно 200 мілісекундних пульсарів, які зараз відомі – нагадування про те, наскільки екстремальними можуть бути ці об'єкти.

Пульсари виявилися приховувати ще один сюрприз: планети. У 1992 році Олександр Волсцзан знайшов перші позасонячні планети, коли-небудь підтверджені, що обертаються навколо пульсара PSR B1257+12 – роки перед тим, як хто-небудь виявив планету навколо нормальної, сонячної зірки.

Одна з планет цієї системи, каталогізована як PSR B1257+12 b, є надзвичайно малою: її маса чуть менше, ніж у Місяця в два рази, що робить її найменш масивним об'єктом, коли-небудь підтвердженим за межами Сонячної системи. Знайти будь-яку планету навколо пульсара було дивовижно; знайти одну такої ваги було майже випадково.

Того ж року, коли Гевіш та Райл отримали свою Нобелівську премію, фізики Джозеф Гутон Тейлор-молодший та Рассел Гульсе вже знайшли щось, можливо, рівно важливе, у 1974 році: перший відомий пульсар, що обертається навколо іншої зірки, названий PSR B1913+16. Оскільки імпульси пульсара прибувають з точністю годинника, їх синхронізація дозволила фізикам вимірювати цю подвійну систему з надзвичайною точністю.

Десятиліття цієї синхронізації дали оцінки маси 1,4398 сонячних мас для пульсара та 1,3886 сонячних мас для його супутника – цифри, досить точні, щоб виявити тонку передбачення загальної теорії відносності. Орбітальний період пари скорочується в 0,997 раза швидкості, яку передбачає гасіння гравітаційного випромінювання відносності, приблизно так близько до ідеального узгодження між теорією та спостереженням в астрофізиці.

Майже кожен відомий пульсар є тим, що астрономи називають пульсаром нейтронної зірки – але не всі. У подвійній системі AR Scorpii пульсуюче світло походить не від нейтронної зірки, а від білого карлика: сильно магнітизованого залишку зірки з напруженістю поля до 500 МГ, обертання якого живить імпульси так само, як і нейтронна зірка.

Це робить AR Scorpii першим підтвердженим прикладом пульсара білого карлика, розширюючи визначення "пульсара" далеко за межами типу об'єкта, який дав йому спочатку ім'я.

Пошук більше пульсарів продовжує ставати більш можливим. Радіотелескоп Паркс в Австралії здійснив своє перше спостереження пульсара у 1968 році і з тих пір став національною іконою, з'являючись поруч із зображенням пульсара на першій австралійській банкноті в 50 доларів. Нещодавно радіотелескоп FAST Китаю – його повна назва це Five-hundred-metre Aperture Spherical Telescope – став одним із найпотужніших інструментів, які зараз сканують небо в пошуках нових пульсарів.

Між чутливими новими посудами та десятиліттями терпеливих даних синхронізації, наука пульсарів не показує ознак уповільнення; об'єкти, що почалися як невідповідний образ на смузі паперу з графіком, стали одним із найпродуктивніших інструментів астрофізики.

• 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