Pulsarit — mikä on pulsari? Neutronitähtien majakat ja ominaisuudet

Pulsarit — tutustu neutronitähtien majakoihin: miten pulssit syntyvät, pyörimisestä aiheutuvat ominaisuudet, havaitseminen ja tärkeimmät faktat yhdellä sivulla.

Pulsarit ovat neutronitähtiä, jotka pyörivät nopeasti ja tuottavat valtavaa sähkömagneettista säteilyä kapeaa sädettä pitkin. Neutronitähdet ovat erittäin tiheitä — massaltaan yleensä samaa luokkaa kuin Aurinko, mutta halkaisijaltaan vain noin 20 kilometriä — ja niillä on lyhyet, hyvin säännölliset pyörimisliikkeet. Tämä synnyttää tarkkoja pulssivälejä, jotka vaihtelevat yksittäisen pulsarin kohdalla millisekunneista useisiin sekunteihin. Pulssin voi havaita vain, jos Maan suunta sattuu osumaan pulsarin säteen kulkureitille, aivan kuten majakan valo näkyy vain tiettyihin suuntiin.

Pulssit vastaavat tähden kierroksia: pyöriminen aiheuttaa majakkaefektin, koska säteily näkyy vain lyhyin väliajoin. Werner Becker Max Planckin maan ulkopuolisen fysiikan instituutista sanoi hiljattain, että pulsarit toimivat luonnon erittäin tarkkoina kelloina ja tarjoavat ainutlaatuisen ikkunan äärimmäisiin fysiikan olosuhteisiin.

Miten pulsarit syntyvät?

Pulsarit syntyvät massiivisten tähtien supernovaräjähdyksissä, kun tähden ydin romahtaa ja tiivistyy neutronitiheäksi kappaleeksi. Tämän romahduksen yhteydessä tähden pyörimismomentti säilyy, joten ulkokerroksia menettäneestä ytimestä muodostuva neutronitähti pyörii erittäin nopeasti. Samalla magneettikenttä vahvistuu äärettömän suureksi johtuen magneettisen fluksin säilymisestä, mikä on keskeistä pulsarin säteilylle.

Pulsarien rakenne ja säteilymekanismit

• Tiheys ja koko: Neutronitähtiä peittävät kovat ytimien ja aineen olomuodot, ja niiden tiheys voi ylittää atomin ytimen tiheyden.
• Magneettikenttä: Pulsareilla on erittäin vahvat magneettikentät, tyypillisesti 10^8–10^15 gaussia. Magneettikenttä ohjaa varattujen hiukkasten liikkeitä ja synnyttää säteilyn.
• Magnetosfääri ja valopylväät: Pyörivä magneettikenttä aiheuttaa sähkömagneettisen säteilyn syntymisen polaarialueilla. Säteily suuntautuu kapeina säteinä (»majakat»), ja jos säde leikkaa Maan, havaitsemme pulssin.
• Säteilytyypit: Pulsarit emittoivat säteilyä eri aallonpituusalueilla: radioaalloista röntgen- ja gamma-säteilyyn. Säteilymekanismeina toimivat mm. kurvaturaalto (curvature radiation), synkrotronisäteily ja käänteissäteily (inverse Compton) magnetosfäärin varatuilla hiukkasilla.

Pulsarien ominaisuuksia

• Jakso (periodi): Pulssien väli eli pyörimisperiodi voi olla millisekunteistä (ns. millisekuntipulsarit) useisiin sekunteihin (hidaskiertoiset pulsarit).
• Periodin muutos (spin-down): Pulsarit hidastuvat ajan myötä säteilyn ja hiukkaspuhalluksen seurauksena. Periodin muutos kertoo energianmenetystä ja magneettikentän voimakkuudesta.
• Glitchet: Joillain pulsareilla tapahtuu äkillisiä pienen pieniä nopeutuksia (glitchejä), jotka liittyvät tähden sisäiseen dynamiikkaan ja supernestemäiseen ytimeen.
• Binaarijärjestelmät: Monet millisekuntipulsarit ovat kaksoistähti- tai moninkertaisissa järjestelmissä ja ovat saaneet nopeutensa kumppanitähdestä tapahtuneen aineen siirron (spin-up, accretion).

Pulsarien tyypit

• Radio-pulsarit: Tavallisimpia; näkyvät pääasiassa radioalueella.
• Millisekuntipulsarit: Erittäin säännöllisiä ja nopeasti pyöriviä (periodi ~1–10 ms); usein kiertävät kumppania ja ovat hyviä tähtitieteellisiä kelloja.
• Magnetarit: Hyvin voimakkaita magneettikenttiä omaavia neutronitähtiä (10^14–10^15 G), jotka voivat tuottaa voimakkaita röntgen- ja gamma-purskeita.
• Röntgen- ja gamma-pulsarit: Joillain pulsareilla säteily painottuu korkeaenergiseen alueeseen; ne näkyvät ensisijaisesti röntgen- tai gammalaitteilla.

Miten pulsareita havaitaan ja tutkitaan?

Pulsarit löydetään ja seurataan käyttämällä radio-, röntgen- ja gammasäteilyn havainnointilaitteita. Pulsarin signaali on usein erittäin heikko, joten pitkäkestoiset havainnot ja signaalinkäsittely ovat tärkeitä. Pulsareita käytetään myös tarkkoina aikastandardeina astrofysiikassa: niiden periodit ovat niin säännöllisiä, että pienetkin poikkeamat paljastavat ympäristön muutoksia tai relativistisia ilmiöitä.

Merkitys tieteelle

• Yleisen suhteellisuusteorian testit: Binaaripulsarit, kuten kuuluisa Hulse–Taylor -pulsari, ovat tarjonneet vahvoja todisteita gravitaatioaaltojen olemassaolosta ja yleisen suhteellisuusteorian ennusteista.
• Gravitaatioaaltojen havaitseminen: Pulsarien ajastusta (pulsar timing arrays) käytetään etsimään matalataajuuksista gravitaatioaaltojen taustaa, joka syntyy esim. supermassiivisten mustien yhdistyessä.
• Fysiikka äärimmäisissä oloissa: Pulsarit ovat laboratorioita, joissa voidaan tutkia aineen käyttäytymistä äärimmäisessä tiheydessä, voimakkaissa magneettikentissä ja korkeissa energiatiheyksissä.
• Tähtien evoluutio: Pulsarit kertovat supernovien ja tähtijärjestelmien kehityksestä sekä massan siirrosta kaksoistähtijärjestelmissä.

Tunnettuja pulsareita

• PSR B1919+21 — ensimmäisenä löydetty pulsari (1967), Löysi Jocelyn Bell Burnell.
• Crab-pulsar (PSR B0531+21) — nuori ja kirkkain monella aallonpituudella; sijaitsee Krabipyrstön nebulaassa.
• Vela-pulsar — tunnettu nopeista glitcheistään ja kirkkaasta radio- ja röntgensäteilystään.

Lopuksi

Pulsarit ovat avaruuden majakoita ja arvokkaita tutkimuskohteita, jotka yhdistävät tähtitieteen, hiukkasfysiikan ja relativistisen fysiikan. Ne tarjoavat sekä perustutkimuksellisia oivalluksia että käytännön työkaluja, kuten tarkkoja aikasignaaleja ja menetelmiä gravitaatioaaltojen etsintään. Pulsareiden monimuotoisuus — radio-, röntgen-, gamma- ja millisekuntityypit sekä magnetarit — tekee niistä keskeisiä kohteita nykyisessä astrofysiikan tutkimuksessa.

Discovery

Ensimmäinen pulsari löydettiin vuonna 1967. Sen löysivät Jocelyn Bell Burnell ja Antony Hewish. He työskentelivät Cambridgen yliopistossa. Havaitussa emissiossa oli 1,33 sekunnin välein tapahtuvia pulsseja. Kaikki pulssit tulivat samasta paikasta taivaalla. Lähde noudatti tähtiaikaa. Aluksi he eivät ymmärtäneet, miksi pulsareiden säteilyn voimakkuus muuttuu säännöllisesti. Sana pulsari on lyhenne sanoista "sykkivä tähti".

Tämä alkuperäinen pulsari, jota nykyään kutsutaan CP 1919:ksi, tuottaa radioaallonpituuksia, mutta myöhemmin pulsareiden on havaittu tuottavan säteilyä röntgen- ja/tai gammasäteilyn aallonpituuksilla.

Nobel-palkinnot

Vuonna 1974 Antony Hewishista tuli ensimmäinen tähtitieteilijä, jolle myönnettiin Nobelin fysiikan palkinto. Kiistaa aiheutti se, että hänelle myönnettiin palkinto, mutta Bellille ei. Hän oli tehnyt alkuperäisen löydön ollessaan Bellin tohtoriopiskelija. Bell ei väittänyt olevansa katkera tästä asiasta, vaan tuki Nobel-palkintokomitean päätöstä. "Jotkut ihmiset kutsuvat sitä No-Bell-palkinnoksi, koska he ovat niin vahvasti sitä mieltä, että Jocelyn Bell Burnellin olisi pitänyt jakaa palkinto".

Vuonna 1974 Joseph Hooton Taylor Jr. ja Russell Hulse löysivät ensimmäistä kertaa pulsarin kaksoispulssijärjestelmässä. Tämä pulsari kiertää toista neutronitähteä, jonka kiertoaika on vain kahdeksan tuntia. Einsteinin yleisen suhteellisuusteorian mukaan tämän systeemin pitäisi lähettää voimakasta gravitaatiosäteilyä, jolloin kiertorata supistuu jatkuvasti, kun se menettää kiertoenergiaa. Pulsarin havainnot vahvistivat pian tämän ennusteen ja antoivat ensimmäisenä todisteen gravitaatioaaltojen olemassaolosta. Vuodesta 2010 lähtien pulsarista tehdyt havainnot ovat edelleen yleisen suhteellisuusteorian mukaisia. Vuonna 1993 Taylor ja Hulse saivat fysiikan Nobel-palkinnon tämän pulsarin löytämisestä.

Jocelyn Bell Burnellin kaavio

Hae kirjaimella