Jak to działa?
Pulsarowa menażeria
Są tacy, którzy twierdzą, że nie ma nic bardziej ekscytującego niż dreszczyk emocji towarzyszący nieoczekiwanemu odkryciu nowej klasy obiektów astronomicznych. Doskonałym przykładem takiej naukowej „żyły złota”, inspirującej rozwój nowych technik obserwacyjnych, obliczeniowych i stymulującej kolejne pokolenia teoretyków do zadawania pytań o naturę fundamentalnych procesów fizycznych, może być detekcja w 1967 r. periodycznego sygnału radiowego o okresie 1,3373 s – pierwszego pulsara.

Rys. 1 Historyczny, papierowy wydruk emisji pierwszego pulsara.
©YouTube
Odgłosy pięciu pulsarów Drogi Mlecznej
Są tacy, którzy twierdzą, że nie ma nic bardziej ekscytującego niż dreszczyk
emocji towarzyszący nieoczekiwanemu odkryciu nowej klasy obiektów
astronomicznych. Doskonałym przykładem takiej naukowej „żyły złota”,
inspirującej rozwój nowych technik obserwacyjnych, obliczeniowych
i stymulującej kolejne pokolenia teoretyków do zadawania pytań o naturę
fundamentalnych procesów fizycznych, może być detekcja w 1967 r.
periodycznego sygnału radiowego o okresie 1,3373 s – pierwszego pulsara.
Połączenie słów pulsating i star charakteryzuje podstawową cechę nowo
odkrytych obiektów: niespotykaną nigdy wcześniej regularność
sygnału, stabilniejszą w długiej skali czasowej od najlepszych zegarów
atomowych. Szczęśliwi, lecz także nieco zakłopotani odkrywcy – Jocelyn Bell
i Anthony Hewish – podejrzewali początkowo, że niechcący rejestrują
radzieckiego bądź amerykańskiego satelitę szpiegowskiego, brano również
pod uwagę możliwość, że sygnał ten pochodził od pozaziemskiej
cywilizacji, co znalazło odzwierciedlenie w tymczasowej nazwie pierwszego
pulsara: oznaczenie LGM 1 było skrótem od Little Green Men. Jeśli jednak
nie tworem sztucznym, czym mógłby być ów niecodzienny obiekt? Teoretycy
bezzwłocznie wykluczyli hipotezę układu zaćmieniowego, a także wibracji
powierzchni gwiazdy – częstość zmian jest bowiem o wiele za wysoka, by
wspomniane układy mogły być stabilne – a za jedyne sensowne wytłumaczenie
uznano ostatecznie model bardzo gęstego, niewielkiego obracającego się obiektu.
Obecnie nie ulega wątpliwości, że pulsary są pozostałościami po wybuchach
supernowych, gwiazdami neutronowymi o masach nieco większych do masy
Słońca i promieniach około 10 km, wyposażonymi w silne pole magnetyczne.
To właśnie pole magnetyczne odgrywa kluczową rolę w wytwarzaniu
sygnału. Otoczenie gwiazdy (jej magnetosfera, o której zakłada się dla
uproszczenia, że jest magnetycznym dipolem o osi nachylonej nieco
w stosunku do osi rotacji), zawiera plazmę elektronowo-pozytonową;
przyspieszane przez siłę Lorentza ładunki wirują wokół linii sił pola,
emitując promieniowanie cyklotronowe i promieniowanie hamowania.
Zderzenia fotonów produkują z kolei następne pary
i tak
powstają kaskady elektromagnetyczne, które w okolicach biegunów
magnetycznych tworzą snopy promieniowania radiowego omiatające
przestrzeń w takt obrotu pulsara, na podobieństwo latarni morskiej (gwoli
ścisłości należy jednak przyznać, że szczegóły budowy i działania
magnetosfer nie są, ponad 40 lat po odkryciu, zrozumiane w sposób
zadowalający).

Rys. 2 Diagram okres obrotu-pochodna okresu
na którym zaznaczono różne podklasy obecnie znanych pulsarów.
Współczesna technika chronometrażu umożliwia pomiar czasu nadejścia
sygnału z niemal nieograniczoną dokładnością (nawiasem mówiąc, jest to
jedna z niewielu obserwowanych wielkości, jakie astronom może porządnie
zmierzyć). Rysunek 2 przedstawia zależność okresu obrotu
od
prędkości zmian okresu
dla galaktycznej populacji pulsarów.
Znajdziemy wśród nich takie, które obracają się ponad pół tysiąca razy na
sekundę. Obecny rekord częstotliwości, 716 Hz, należy do PSR J1748-2446ad
odkrytego w 2005 roku (gdyby próżnia przewodziła dźwięk, słyszelibyśmy
go w skali równomiernie temperowanej w okolicach tonu
)
Znane są też wolno rotujące obiekty o okresach rzędu kilku sekund. Jak
wynika z rysunku 2, dla wszystkich pulsarów zmiana okresu
jest
dodatnia, czyli okres
rośnie. Dzieje się tak dlatego, że emisja
promieniowania odbiera gwieździe energię kinetyczną. Znajomość
i
pozwala oszacować (szczegóły wyprowadzenia pomijamy) dipolowe
pole magnetyczne danego pulsara,
![]() | (1) |
a także otrzymać jego wiek charakterystyczny

Na przykład, dla pulsara w mgławicy Kraba, dla którego obecnie
s,
wiek charakterystyczny
wynosi
około 1300 lat. Ponieważ wiadomo skądinąd, że jego prawdziwy wiek to
957 lat (wybuch supernowej Kraba był obserwowany przez chińskich
astronomów w 1054 r.), nie jest to dokładność oszałamiająca, zawsze jednak
lepsze takie oszacowanie niż żadne.
Linie stałego
i
zaznaczone są na rysunku 2, odpowiednio
przerywanymi i kropkowanymi liniami. Pulsar zaczyna swe życie z okresem
ms, po czym, stopniowo zwalniając, zmierza w dół diagramu
zachowując mniej więcej stałe pole magnetyczne. Powolna rotacja
prowadzi jednak do stopniowego zaniku mechanizmu pulsu radiowego –
i oniemiały pulsar trafia w obszar diagramu zwany Cmentarzem. Jeśli jednak
jakimś cudem uda mu się spotkać zacnego towarzysza (tj. stać się
składnikiem układu podwójnego), ten może uratować go z opresji
i przywrócić głos, stosując tzw. recykling akrecyjny. W lewej dolnej części
rysunku 2 widzimy grupę szybko rotujących pulsarów, występujących głównie
w układach podwójnych – to właśnie rozkręcone przez akrecję rekordzistki
szybkości, bardzo stare gwiazdy neutronowe o polu magnetycznym mocno
osłabionym przez procesy akrecyjne. Gwiazdy w układach podwójnych
przodują także w jasności: Scorpius X-1, pierwsze astrofizyczne źródło
promieniowania rentgenowskiego, odkryte przez zespół Riccardo Giacconiego
w 1962 r. (nagroda Nobla w 2002 r.), jest najjaśniejsze na całym niebie.

Rys. 3 Okładka albumu Unknown Pleasures zespołu Joy Division, przedstawiająca ciąg pulsów PSR B1919+21.
Niejako przeciwieństwem pulsarów milisekundowych są magnetary (prawy
górny róg rysunku 2), mające pola magnetyczne o 2–3 rzędy wielkości
przewyższające średnią wartość
dla pulsarów, sekundowe
okresy obrotu, które szybko się wydłużają (duże
), są one też
prawdopodobnie dość młode. Magnetary od zwykłych pulsarów radiowych
oddziela linia

odpowiadająca polu krytycznemu Schwingera. Dla
efekty
kwantowe związane z oddziaływaniem fotonów z polem magnetycznym stają
się istotne, co prowadzi do spadku produkcji par
przeważająca
większość magnetarów jest więc radiowo cicha. Model magnetara stworzono
w celu wyjaśnienia obserwacji obiektów emitujących powtarzające się błyski
miękkiego promieniowania
(SGR, Soft Gamma Repeaters) oraz
anomalnych pulsarów rentgenowskich (AXP, Anomalous X-ray Pulsars).
Pierwsze z wymienionych obiektów charakteryzują się niezbyt częstymi, ale
potężnymi wybuchami, zdolnymi „oślepić” wszelkie satelity badawcze
i znacząco obniżyć granicę ziemskiej jonosfery. AXP emitują natomiast pulsy
promieniowania rentgenowskiego, których zakresu energetycznego nie da się
wytłumaczyć za pomocą modelu pulsara o typowym polu magnetycznym
i charakterystycznych dla magnetarów wartości
(stąd określenie
anomalny).
Zgłębianie tajemnic pulsarów wymaga zastosowania prawie każdej z dziedzin nowoczesnej fizyki. Nagrodą za trudy jest jednak ciekawie rozwijająca się gałąź wiedzy i niewyczerpane źródło inspiracji nie tylko naukowych – przykładem słynny album grupy Joy Division (o znamiennym tytule Unknown pleasures), którego okładka przedstawia sekwencję pulsów pierwszego pulsara.