Pulsaarid — kiiresti pöörlevad neutrontähed ja impulsside mehhanism

Avasta pulsaaride saladus: kiiresti pöörlevad neutrontähed, täpsed elektromagnetilised impulssid ja nende mehhanismid — selgitused, visuaalid ja viimased avastused.

Pulsaarid on neutrontähed, mis pöörlevad kiiresti ja toodavad kitsas kiirguses tohutut elektromagnetilist kiirgust. Neutrontähed on väga tihedad ja nende spinnid on lühikesed ja korrapärased. See tekitab väga täpse intervalli impulsside vahel, mis ulatub üksiku pulsari puhul ligikaudu millisekunditest kuni sekunditeni. Pulss on nähtav ainult siis, kui Maa on kiirte suunale piisavalt lähedal. Sarnaselt sellega, et majakat on võimalik näha ainult siis, kui kiir paistab teie suunas.

Impulsid vastavad tähe pööretele. Pöörlemine põhjustab majakaefekti, kuna kiirgus on nähtav vaid lühikeste ajavahemike järel. Werner Becker Max Plancki Maavälise Füüsika Instituudist ütles hiljuti, et pulsaarid on erakordselt kasulikud universumi "täpsete kelladena" — nende impulsside järjepidevus võimaldab nii täpseid mõõtmisi, mida paljud teised taevakehad ei anna.

Kuidas pulsaar töötab

Pulsari „majakamudel” põhineb asjaolul, et tähe magnettelg ei kattu pöörlemisteljega. Magnetvälja tugevad polaaralad kiirgavad elektromagnetilist energiavälja kitsaste kiirte kujul. Kui need kiired pöörlevad ja osutuvad maa suunas, registreerime me impulsse. Kiirguse genereerimise mikromehhanismid on keerukad ja hõlmavad laetud osakeste kiirendamist magnetväljaga seotud kurvide (curvature radiation), sünkrotronkiirguse ning elektron–positroni paaride teket tähe magnetosfääris.

Tüübid ja tüüpilised omadused

• Raadiopulsaarid: kõige sagedamini avastatud, kiirgavad peamiselt raadioaladele.
• Millisekundipulsaarid: väga kiiresti pöörlevad (periood ~1–10 ms). Sageli on nad binaarsete süsteemide osaks ja on "taaskeeratud" akretsiooniga kaaslaselt massi ja impulsi üle kandes.
• X- ja γ-pulsaarid: mõned pulsaarid eraldavad intensiivset lühilainekiirgust, eriti noored ja väga magnetiseeritud objektid (nt magnetarid).

Tüüpilised parameetrid: pulsarite perioodid ulatuvad ~1 ms kuni mitme sekundi, magnetväljade tugevused vahel ~10^8 kuni >10^14 gaussi, mass tavaliselt ligikaudu 1,2–2 korda Päikese mass ning raadius ~10–12 km.

Tekkimine ja evolutsioon

Pulsaarid tekivad kui raske täht lõpeb supernoovana ja järelejäänud tuum implodiseerub neutrontäheks. Alguses võib neutrontäht pöörelda väga kiiresti; aja jooksul elektromagnetiline kiirgus ja tuuma tuumne magnetkiirgus põhjustavad pöörlemise aeglustumise ehk "spin-down'i". Binaarsetes süsteemides võib kaaslane hiljem kanda materjali neutrontähe külge, mis võib tähe uuesti üleskeerata ja tekitada millisekundipulsari.

Eripärad: glitch'id ja muud nähtused

Mõnikord registreeritakse pulsaritel äkilisi kiirusehüppeid ehk glitch'e. Need on seotud tähe sisemiste protsessidega — näiteks neutronsupervedeliku diferentsiaalse pöörlemise ja rõhu ümberjaotusega. Glitch'id annavad väärtuslikku teavet neutrontähte moodustava aine hüperfüüsikaliste omaduste kohta.

Pulsaarid teaduses ja rakendused

• Relativistlikud testid: binaarsete pulsarite jälgimine andis esimesed tugevad proovid gravitatsioonilainete olemasolust (Hulse–Taylor pulsar) ja lubab testida Einsteini üldrelatiivsusteooriat kõrge täpsusega.
• Pulsaritaktimine: pulsaarid on nii korrapärased, et neid kasutatakse äärmiselt täpse aja- ja asukoha mõõtmise jaoks; on arendatud pulsaritabelite ehk pulsar timing arrays meetodeid madalsageduslike gravitatsioonilainete otsimiseks.
• Navigatsioon: tulevastes kosmosesondides võib pulsaripõhine navigatsioon pakkuda autonoomset positsioonimääramist, kasutades pulsaaride impulsse kui galaktilisi „GPS‑satelliite”.

Ajalugu ja avastus

Pulsarid avastati 1967. aastal, kui Jocelyn Bell (hiljem Jocelyn Bell Burnell) ja Antony Hewish leidsid regulaarsed raadioimpulsid, mis algselt tundusid sarnased tehisliku signaaliga. Hiljem selgus, et tegemist on loodusliku objekti — neutrontähe — impulssidega.

Miks pulsaarid on huvitavad

Pulsaarid ühendavad mitmeid füüsika valdkondi: tuumafüüsikat, magnetohüdrodünaamikat, üldrelatiivsusteooriat ja radioteleskoopia meetodeid. Neid uurides saame infot äärmuslike tingimuste kohta, mida ei suuda laborid Maal reprodutseerida — näiteks aine käitumine ülisuurte tiheduse ja magnetväljadega tingimustes. Samuti annavad pulsaarid tähendusrikkaid tööriistu gravitatsioonilainete ja galaktiliste struktuuride uurimiseks.

Kokkuvõtlikult: pulsaarid on kiiresti pöörlevad neutrontähed, mille regulaarsed impulssid tekivad magnettelje ja pöörlemistelje erisuundumusest ning kus emissioonimehhanismid põhinevad laetud osakeste kiirendamisel intensiivses magnetväljas. Neid objekte uurides avanevad nii fundamentaalse füüsika küsimused kui ka praktilised rakendused täpsete ajanormide, navigatsiooni ja astronoomiliste mõõtmiste vallas.

Discovery

Esimene pulsar avastati 1967. aastal. Selle avastasid Jocelyn Bell Burnell ja Antony Hewish. Nad töötasid Cambridge'i ülikoolis. Täheldatud emissioonil olid 1,33 sekundiga eraldatud impulsid. Kõik impulsid tulid samast kohast taevas. Allikas pidas kinni sideriaalajast. Esialgu ei saanud nad aru, miks pulsarite kiirguse tugevus korrapäraselt muutub. Sõna pulsar on lühend pulseerivast tähest.

See algne pulsar, mida nüüd nimetatakse CP 1919, toodab raadiolainepikkust, kuid hiljem on leitud, et pulsarid toodavad kiirgust röntgen- ja/või gammakiirguse lainepikkuses.

Nobeli preemiad

1974. aastal sai Antony Hewishist esimene astronoom, kellele anti Nobeli füüsikapreemia. Vastuolu tekitas see, et ta sai auhinna, Bell aga mitte. Ta oli teinud esialgse avastuse, kui ta oli tema doktorant. Bell väidab, et ta ei ole selles küsimuses kibestunud, toetades Nobeli preemiakomitee otsust. "Mõned inimesed nimetavad seda No-Belli auhinnaks, sest nad tunnevad nii tugevalt, et Jocelyn Bell Burnellile oleks pidanud auhinda jagama".

1974. aastal avastasid Joseph Hooton Taylor Jr. ja Russell Hulse esimest korda pulsari kaksiksüsteemis. See pulsar tiirleb ümber teise neutrontähe, mille tiirlemisperiood on vaid kaheksa tundi. Einsteini üldrelatiivsusteooria ennustab, et see süsteem peaks kiirgama tugevat gravitatsioonikiirgust, mis põhjustab orbiidi pidevat kokkutõmbumist, kuna see kaotab orbitaalenergiat. Pulsaari vaatlused kinnitasid peagi seda ennustust, andes esimesed tõendid gravitatsioonilainete olemasolu kohta. Alates 2010. aastast on selle pulsari vaatlused jätkuvalt kooskõlas üldise relatiivsusteooriaga. 1993. aastal anti Taylori ja Hulse'ile Nobeli füüsikaauhind selle pulsari avastamise eest.

Jocelyn Bell Burnelli kaart

Otsing