Pulsary
Pulsary (ang. pulsars) są to bardzo szybkie i regularnie migrujące źródła promieniowania elektromagnetycznego, które powstają w wyniku rotacji gwiazdy neutronowej. Ich charakterystyczną cechą jest niezwykle stabilny okres pulsacji, który może wynosić od kilku milisekund do kilku sekund.
Historia odkrycia
Pierwszy pulsar został odkryty w 1967 roku przez astronomów Jocelyn Bell Burnell i Antonia Hewisha. Obiekt, nazwany początkowo CP 1919, wykazywał regularne impulsy radiowe o okresie 1,33 s, co wzbudziło początkowo podejrzenia o sztuczne pochodzenie sygnału.
Mechanizm emisji
Pulsary powstają, gdy silne pole magnetyczne gwiazdy neutronowej (od 10⁸ do 10¹⁵ G) nie jest zrównoległe z jej osią obrotu. W wyniku tego w magnetosferze powstają dwa bieguny emitujące wiązki promieniowania synchrotronowego oraz promieniowanie krzyżowania (curvature radiation). Gdy ta wiązka przechodzi przez linię widzenia obserwatora, rejestrowany jest krótki impuls – analogicznie do „światła latarni morskiej”.
Typy pulsarów
- Pulsary radiowe – emitują głównie w paśmie radio, ale często również w podczerwieni, świetle widzialnym, podczerwieni, X‑ray i gamma-promieniowaniu.
- Pulsary X‑rayowe (X‑ray pulsars) – wykrywane głównie w zakresie X‑ray, najczęściej w układach binarnych, gdzie materia z towarzyszącej gwiazdy akrebuje się na powierzchnię pulsara.
- Magnetary – pulsary o niezwykle silnym polu magnetycznym (≈10¹⁴–10¹⁵ G), które emitują potężne błyski gamma‑ray burst oraz X‑ray flary.
- Pulsary milisekundowe (MSPs) – bardzo szybkie rotatory z okresem rotacji poniżej 30 ms, które zazwyczaj są „odświeżane” w wyniku akrecji w układach podwójnych.
Znaczenie astrofizyczne
Pulsary odgrywają kluczową rolę w astronomii i fizyce:
- Stanowią naturalne laboratoria ekstremalnych warunków gęstości, pola magnetycznego i grawitacji (grawitacja ~10¹¹ g).
- Są precyzyjnymi zegarami kosmicznymi – ich okresy można mierzyć z dokładnością lepszą niż 10⁻¹⁵ s, co umożliwia testowanie ogólnej teorii względności oraz wykrywanie fal grawitacyjnych.
- Dzięki pulsarom w układach podwójnych możliwe jest wyznaczenie masy gwiazdy neutronowej z wysoką precyzją, co ogranicza równania stanu materii w jądrze.
- Pulsary milisekundowe służą jako elementy w tzw. pulsarowych sieciach timingowych, używanych do poszukiwań niskoczęstotliwościowych fal grawitacyjnych.
Obserwacje i techniki pomiarowe
Do obserwacji pulsarów wykorzystuje się różnorodne instrumenty:
- Radioteleskopy (np. Arecibo, Parkes) – najczęstsze narzędzia do wykrywania pulsarów radiowych.
- Teleskopy podczerwone i optyczne (np. Hubble Space Telescope) – obserwują pulsary w zakresie widzialnym.
- Satellity X‑ray (np. Chandra, XMM‑Newton) – rejestrują pulsary X‑rayowe.
- Detektory gamma (np. Fermi) – służą do wykrywania magnetarów i krótkotrwałych impulsów gamma.
Wspólną metodą analizy jest folding – składanie szeregu pomiarów według przyjętego okresu, co zwiększa stosunek sygnału do szumu.
Najbardziej znane pulsary
| Nazwa | Okres (ms) | Typ | Odkrycie | Uwagi |
|---|---|---|---|---|
| PSR B1919+21 | 1330 | Radiowy | 1967 | Pierwszy odkryty pulsar |
| PSR J0437−4715 | 5.75 | Milisekundowy | 1993 | Jedna z najjaśniejszych pulsarów radiowych w przemyśle |
| Pulsar w Nebuli Pszczeli (PSR B0531+21) | 33.1 | Radiowo‑X‑rayowy | 1968 | Związany z pozostałością po supernowej SN 1054 |
| PSR B1937+21 | 1.56 | Milisekundowy | 1982 | Najpierw wykryty najkrótszy okres rotacji |
| SGR 1806‑20 (magnetar) | 7.56 | Magnetar | 1998 | W 2004 roku wyemitował potężny błysk gamma‑ray |
Zastosowania praktyczne
Choć pulsary są obiektami astronomicznymi, ich stabilne impulsy znalazły zastosowanie w:
- Nawigacji kosmicznej – jako naturalny „system GPS” dla sond międzygwiezdnych.
- Badaniach fundamentalnych – testy teorii grawitacji i poszukiwania zmienności stałych fizycznych.
- Kalibracji zegarów atomowych – porównywanie sygnałów pulsarów z bardzo precyzyjnymi zegarami na Ziemi.
Patologia i przyszłe kierunki badań
Obecnie największe wyzwania to:
- Rozpoznawanie pulsarów radiowo-szumiących, które nie wykazują regularnych impulsów w radiu, a jedynie w podczerwieni lub X‑ray.
- Poszukiwania pulsarów w galaktykach poza Naszą Drodą Mleczną przy pomocy najnowszych radioteleskopów, takich jak SKA (Square Kilometre Array).
- Modelowanie wewnętrznej struktury gwiazdy neutronowej na podstawie pomiarów masy i momentu bezwładności pulsarów milisekundowych.
Bibliografia
- J. Bell, A. Hewish, “Observations of a Rapidly Pulsating Radio Source”, Nature, 1968.
- R. Manchester, G. Hobbs, A. Teoh, M. Hobbs, “The ATNF Pulsar Catalogue”, Astrophysics and Space Science, 2005.
- D. Lorimer, M. Kramer, Handbook of Pulsar Astronomy, Cambridge University Press, 2005.
- V. Kaspi, M. Baring, “Magnetars”, Annual Review of Astronomy and Astrophysics, 2017.
Wszystkie informacje zawarte w tym artykule pochodzą z literatury naukowej i publicznych baz danych astronomicznych. Artykuł jest częścią polskojęzycznej encyklopedii Astronomia.