Pulsar, czyli zupa z neutronów

W 1967 roku serca astronomów zabiły mocniej. Młoda adeptka, właściwie stażystka prowadząca obserwacje w Mullard Radio Astronomy Observatory w Cambridge, odkryła w gwiazdozbiorze Liska źródło bardzo regularnych sygnałów radiowych. Poszukiwacze cywilizacji pozaziemskich wydali okrzyk radości i odkorkowali butelki szampana. Entuzjazm nieco opadł, gdy niedługo potem w innym rejonie nieba odnaleziono drugie, bardzo podobne źródło. Dwie obce cywilizacje emitujące bliźniacze sygnały - to było zbyt piękne, aby mogło być prawdziwe. Teorię o istnieniu inteligentnych istot pozaziemskich po raz kolejny odstawiono na boczny tor, a skupiono się na wyjaśnianiu natury dziwnego zjawiska.
Wielkim krokiem naprzód było odnalezienie kilka miesięcy później bardzo podobnego radioźródła w Mgławicy Krab. Kroniki arabskie i chińskie z XI w. donosiły o silnym rozbłysku w miejscu, gdzie obecnie znajduje się mgławica, i pojawieniu się nowej gwiazdy, która intensywnie świeciła przez jakiś czas, a potem znikła. Wczesnośredniowieczni obserwatorzy nie wiedzieli, że dane im było zaobserwować wybuch supernowej. Po złożeniu wszystkich przesłanek do kupy wychodziło na to, że regularne sygnały radiowe dochodzą z czegoś, co jest pozostałością po wybuchu.

vela
Pulsar Vela. Widać dżety, czyli strumienie energii wydostające się z biegunów. Źródło

I rzeczywiście. Skromna adeptka z Wielkiej Brytanii nie wiedziała, że odkryła jeden z najdziwniejszych tworów w kosmosie. Bardzo duże i bardzo masywne gwiazdy (o masie rzędu 8-10 mas Słońca) bardzo szybko przechodzą w swoim życiu przez etap ciągu głównego, ponieważ w ogromnym tempie zużywają całe zapasy wodoru. Powiększają i tak imponujące rozmiary i przechodzą w stadium nadolbrzymów. Reakcje termojądrowe w ich wnętrzu trwają nadal. Jądro helowe zastępowane jest przez węglowe, ono z kolei przez tlenowe i tak dalej, i tak dalej, aż do momentu powstania jądra żelaznego. Dalsza synteza termojądrowa nie jest możliwa. Grawitacja przestaje być równoważona emitowanym promieniowaniem i jądro gwiazdy w ciągu niezwykle krótkiego czasu zapada się, zaś zewnętrzne warstwy zostają odrzucone. Następuje gwałtowny rozbłysk i uwolnienie gigantycznej ilości energii. Gwiazda wybucha jako supernowa. Konkretnie supernowa typu II, ale nie będziemy już wchodzić w szczegóły. Tworzy się mgławica planetarna, w szybkim tempie zwiększająca swoje rozmiary.
W jej centrum znajduje się obiekt o rozmiarach między 10 a 100 km. Najmniejsze odnalezione ciała niebieskie tego typu mają średnicę mniejszą niż odległość, jaką codziennie pokonuję do pracy (a nie docieram nawet do centrum Wrocławia), największe zaś rozciągałyby się od Wrocławia do Kłodzka. Jakby nie patrzeć - w skali kosmicznej mikrusy. Niejedna planetoida jest bardziej okazała. Gwiazda neutronowa - bo to ona jest pozostałością po wybuchu nadolbrzyma - ma skorupę złożoną z atomów żelaza i wolnych elektronów. Im bliżej środka, tym ciśnienie i temperatura są wyższe. Po przekroczeniu pewnej granicy protony łączą się z elektronami w neutrony. Neutrony ze względu na obojętny ładunek mogą być bardzo ściśle upakowane. Właściwie nie można mówić już o oddzielnych jądrach. Jest tylko jedna wielka neutronowa zupa. Gęstość materii w gwieździe neutronowej waha się między 1014 a 1015 g/cm3. Łyżeczka neutronowej zupy ważyłaby miliardy ton! Jakże ma być inaczej, skoro obiekt o masie 1,4-2,7 mas Słońca został spakowany do rozmiarów 10-kilometrowej kulki? Pole magnetyczne również jest niezwykle silne - około 108 T.

krab
Mgławica Krab, czyli M1 widziana w różnym zakresie promieniowania. Źródło

Każda gwiazda obraca się wokół własnej osi (dla przykładu Słońce pełnego obrotu dokonuje w ciągu 28 dni). Zmniejszając swoje rozmiary, musi jednocześnie przyspieszyć zgodnie z zasadą zachowania momentu pędu. Pierwszy odkryty pulsar obrót o 360 st wykonuje w ciągu 1,3 sekundy, pulsar w Mgławicy Kraba - w ciągu 33 milisekund. I to wcale nie jest rekordzista. Znamy pulsary dokonujące obrotu w ciągu jednej tysięcznej sekundy!
Właściwości fizyczne pozwalają pulsarowi emitować promieniowanie (w szerokim zakresie od promieniowania gamma do radiowego) tylko z jego północnego i południowego bieguna. Omiata on przestrzeń niczym latarnia morska. Jeśli Ziemia znajdzie się na jego drodze, odnotowujemy puls.
Każdy pulsar jest gwiazdą neutronową, ale nie każda gwiazda neutronowa to pulsar. Pulsarem jest dla nas tylko taki obiekt, którego promieniowanie odbieramy.
Gwiazdy neutronowe (a ilość ich w naszej Galaktyce szacuje się na około 300 tys.) występują również jako składniki układów podwójnych lub wielokrotnych. Sześć z tych układów to szczególne rarytasy. Tworzą je po dwa pulsary obiegające wspólny środek masy. Cos pięknego!
Napisałam, że masa tego, co pozostało po wybuchu supernowej i co tworzy gwiazdę neutronową nie może przekraczać 2,7 masy Słońca. A jeśli przekroczy? Wtedy kolapsu grawitacyjnego nie powstrzyma już nic, nawet super ciasno upakowane neutrony. Jądro gwiazdy zapada się do osobliwości i powstaje czarna dziura.

0 komentarze :

Prześlij komentarz