Pulzárok (neutroncsillagok) — definíció, működés és jellemzők

Ismerje meg a pulzárok (neutroncsillagok) működését, pulzusok eredetét, forgási jellemzőiket és megfigyelésüket — részletes, szemléletes magyarázat.

A pulzárok olyan neutroncsillagok, amelyek gyorsan forognak, és egy keskeny sugárnyaláb mentén hatalmas elektromágneses sugárzást bocsátanak ki. A neutroncsillagok rendkívül sűrűek (magjuk sűrűsége a magfúzióval keletkező anyagénál sok nagyságrenddel nagyobb, tipikusan 10^14–10^15 g/cm^3), és hamar kialakul bennük rövid, szabályos forgás. Ennek eredményeként a pulzárok impulzusai nagyon pontos időközöket mutatnak: a periodusok az ezredmásodpercektől a másodpercekig terjednek. Az impulzus csak akkor látható, ha a Föld a pulzár sugárnyalábjának útjába kerül — hasonlóan ahhoz, ahogyan egy világítótornyot is csak akkor veszünk észre, ha fénykúpja éppen a mi irányunkba fordul.

Az impulzusok megjelenése megfelel a csillag forgásának: a forgó mágneses tengely mentén kialakuló sugárnyaláb „világítótornyos” hatást kelt, mert a sugárzás csak rövid időközönként érkezik felénk. Werner Becker, a Max Planck Földönkívüli Fizikai Intézet munkatársa, megjegyzi, hogy a pulzárok időmérései a csillagászatban a legpontosabb asztrofizikai időmérők közé tartoznak, ami különleges lehetőségeket teremt a fizikai törvények tesztelésére.

Képződés és belső szerkezet

Pulzárok általában szupernóva-robbanások maradványaként jönnek létre, amikor egy tömegben elegendően nagy csillag magja összeomlik és a protonokkal és elektronokkal történő egyesülés következtében neutronokból álló, kis sugárú (kb. 10–15 km), nagy tömegű (általában ~1,4 naptömeg körüli) objektum képződik. A belső fizika extrém: sűrű neutronfolyadék, erős mágneses mezők és sűrű, belső szuperfolyadék lehet jelen.

Mágneses mezők és sugárzási mechanizmusok

A pulzárok erős mágneses mezővel rendelkeznek, tipikusan 10^8–10^12 gauss között, a ritka esetekben (magnetárok) akár 10^14–10^15 G is lehet. A forgó mágneses mező és a környező töltött részecskék kölcsönhatásai hozzák létre a megfigyelt sugárzást. Fontosabb sugárzási mechanizmusok:

• Kurvaturugrás (curvature radiation): a töltött részecskék a görbült mágneses erővonalak mentén gyorsulva sugároznak.
• Szinchrotron-sugárzás: relativisztikus elektronok mágneses térben keringve adnak le energiát.
• Inverz Compton-szórás: alacsony energiájú fotonok ütközésekor energiát nyerhetnek a gyors részecskék.

Megfigyelési tartományok és típusok

Pulzárokat több hullámhosszon is észlelnek: rádió-, optikai, röntgen- és gamma-tartományban is találhatók források. A legtöbb ismert pulzár rádióban detektálható, de a fiatal, energikus pulzárok és a magnetárok erős röntgen- vagy gamma-kibocsátást is mutathatnak. A küllő- és ködstruktúrák (pl. a Rák-köd körül található pulzár szél ködje, pulsar wind nebula) a pulzár környezeti hatásaira utalnak.

Forgás, millimásodperces pulzárok és időmérés

A pulzár periódusa (P) és a periódusváltozás sebessége (Ṗ) fontos paraméterek: a pulzárok általában folyamatosan lassulnak, mivel energiát adnak át sugárzás és részecskék formájában. A millimásodperces pulzárok (P ~ 1–10 ms) különösen gyorsak; ezek sokszor bináris rendszerekben kialakuló „újra gyorsulás” (recycling) eredményei, amikor anyag áramlik a neutroncsillagra egy kísérőtől.

Pulzáridők rendkívüli pontosságával lehetővé válik:

• rendkívül pontos csillagászati időmérés és navigáció,
• az általános relativitáselmélet tesztelése kettős pulzárokban (pl. a Hulse–Taylor-pulzár és a kettős-pulzár rendszerek eredményei),
• pulsar timing arrays alkalmazása alacsony frekvenciájú gravitációs hullámok keresésére.

Glitchek, spin-down és belső fizika

Néhány pulzár hirtelen gyorsulást (glitch) mutat, amikor a forgása rövid időre felgyorsul. E jelenségek a neutroncsillag belső szuperfolyékony komponenseinek kölcsönhatásaival, a belső és külső forgási momentum átrendeződésével magyarázhatók. A hosszú távú lassulást a fékezőnyomaték (magnetoszférikus töltésáramlások és sugárzás) határozza meg, és a lassulás sebességéből (Ṗ) megbecsülhető a pulzár életkora és mágneses tere.

Bináris pulzárok és asztrofizikai alkalmazások

Sok pulzár bináris rendszer tagja; ilyen rendszerekben a pulzáridőmérések segítségével pontos pályaelemek és tömegek határozhatók meg. A kettős pulzárok és pulzár–fekete lyuk rendszerek különösen fontosak általános relativitáselmélet vizsgálatára és a gravitációs hullámok asztrofizikai forrásainak megértésére.

Történet és felfedezés

A pulzárokat először 1967-ben fedezték fel rádiótartományban; a felfedezés jelentős mérföldkő volt a csillagászatban és a neutroncsillag-elméletben. Azóta több ezer pulzárt azonosítottak, és a különböző hullámhosszakon végzett megfigyelések folyamatosan bővítik ismereteinket.

Összefoglalás

Pulzárok olyan extrém állapotú neutroncsillagok, melyek gyors forgásuk és erős mágneses mezőjük miatt periodikus elektromágneses impulzusokat bocsátanak ki. Megfigyelésük és pontos időmérésük alapvető eszköz a csillagászat és az alapvető fizika vizsgálatában: segítenek a csillagmaradványok belső szerkezetének, a mágneses és plazmafizikai folyamatoknak, valamint a relativisztikus gravitáció törvényeinek feltárásában.

Discovery

Az első pulzárt 1967-ben fedezték fel. Jocelyn Bell Burnell és Antony Hewish fedezte fel. A Cambridge-i Egyetemen dolgoztak. A megfigyelt emisszió 1,33 másodpercenként váltakozó impulzusokat mutatott. Az impulzusok mind ugyanarról az égboltról jöttek. A forrás betartotta a sziderikus időt. Eleinte nem értették, miért változik rendszeresen a pulzárok sugárzásának erőssége. A pulzár szó a "pulzáló csillag" rövidítése.

Ez az eredeti pulzár, amelyet ma CP 1919-nek neveznek, rádióhullámhosszúságú sugárzást produkál, de később kiderült, hogy a pulzárok a röntgen- és/vagy gammasugárzás hullámhosszán is sugároznak.

Nobel-díjak

1974-ben Antony Hewish lett az első csillagász, aki fizikai Nobel-díjat kapott. Ellentmondás történt, mert ő kapta a díjat, Bell pedig nem. Az eredeti felfedezést ugyanis ő tette, miközben a doktorandusz hallgatója volt. Bell ezen a ponton nem állítja, hogy keserűséggel viseltetett volna, és támogatta a Nobel-díjbizottság döntését. "Egyesek No-Bell-díjnak nevezik, mert annyira határozottan úgy érzik, hogy Jocelyn Bell Burnellnek osztoznia kellett volna a díjban".

1974-ben Joseph Hooton Taylor Jr. és Russell Hulse először fedezett fel pulzárt egy kettős rendszerben. Ez a pulzár egy másik neutroncsillag körül kering, keringési ideje mindössze nyolc óra. Einstein általános relativitáselmélete szerint ennek a rendszernek erős gravitációs sugárzást kellene kibocsátania, ami a pálya folyamatos összehúzódását eredményezi, mivel a rendszer keringési energiát veszít. A pulzár megfigyelései hamarosan megerősítették ezt a jóslatot, és ez volt az első bizonyíték a gravitációs hullámok létezésére. A pulzár megfigyelései 2010 óta továbbra is megfelelnek az általános relativitáselméletnek. 1993-ban Taylor és Hulse fizikai Nobel-díjat kapott a pulzár felfedezéséért.

Jocelyn Bell Burnell táblázata

Keresés betűvel