Nové zaujímavé poznatky publikoval v najnovšom internetovom vydaní časopisu Science tím astronómov z McGillovej Univerzity v kanadskom Montreale. Prvou autorkou článku je mladá doktrandka Anne Archibald.
Na úvod za lyžičku teórie
Prvý pulzar bol objavený pred vyše 40 rokmi, v roku 1967 Jocelyn Bellovou a Antonym Hewishem z Univerzity v Cambridge. Ide o nepredstaviteľne husté neutrónové hviezdy s hmotnosťou asi 1,4 až 2,1 krát väčšou, než je hmotnosť Slnka, s priemerom len asi 25 km, ktoré sú pozostatkami po explózii supernov masívnych hviezd. Extrémne silné magnetické pole neutrónových hviezd sústreďuje intenzívne elektromagnetické žiarenie do dvoch úzkych zväzkov, ktoré vyžarujú z magnetických pólov. Ako neutrónová hviezda rotuje, oba lúče vytvárajú takzvaný majákový efekt. Krúžia podobne ako svetlo majáku. Ak jeden z lúčov v rozľahlom priestore vesmíru zasahuje aj našu maličkú planétu, objekt pozorujeme ako pulzar. Jeho svetelným signálom však môže byť elektromagnetické žiarenie rôznych frekvencií – napríklad röntgenové, alebo rádiové.
V „mladosti“ – krátko po výbuchu pôvodnej hviezdy, pulzary rotujú nepredstaviteľne rýchlo, s periódou asi 30 milisekúnd. Postupne sa spomaľujú, čas jednej otočky sa predlžuje na sekundu, neskôr na desať sekúnd až nakoniec žiarenie pulzaru pohasne. Existuje však skupina extrémne rýchlo rotujúcich pulzarov – milisekundové pulzary s rotačnou periódou pod 10 milisekúnd, teda kratšou ako je stotina sekundy. Napriek tomu, že nie sú „najmladšie“, rotujú najrýchlejšie. A tak kladú otázku: Ako vznikajú?
Teória hovorí, že sa za ich zrodom ukrýva mechanizmus, ktorý by sme mohli označiť za recykláciu hmoty. Milisekundové pulzary sa nachádzajú v takzvaných binárnych systémoch – sú gravitačne viazané s ďalšou hviezdou, podobne ako je Mesiac gravitačne spätý so Zemou. Zo sprievodnej hviezdy si jej neutrónová hmotnejšia partnerka kradne materiál. Ten, skôr než dopadne na jej povrch, vytvorí v rovine jej rovníka akrečný disk rotujúcej hmoty. Tento mechanizmus prenáša časť momentu hybnosti sprievodnej hviezdy a roztáča neutrónového pažravca na obrovské otáčky. Pokiaľ sa akrečný disk vytvára, astronómovia pulzar v jeho centre detegujú ako röntgenový zdroj. Existujú však takto rýchle pulzary viazané v binárnej sústave bez akrečného disku, ktoré sa hlásia nie na röntgenových, ale na rádiových elektromagnetických vlnách. Vďaka objektu J1023 však astronómovia začínajú tušiť, že ide o tie isté typy objektov, len v dvoch rôznych fázach vývoja.
Pristihnutý v prechode
J1023 je pulzar tvoriaci s malou optickou hviezdou binárny systém vo vzdialenosti asi 4000 svetelných rokov, v nenápadnom rovníkovom súhvezdí Sextant, južne od súhvezdia Lev. V roku 1952 ho astronómovia identifikovali ako bežnú, vo viditeľnom svetle žiariacu hviezdu. Až ďalšie výskumy viedli k zisteniu, že ide o neutrónovú hviezdu. V roku 2007 rádioteleskop Green Bank Telescope, svetová jednotka medzi plno ovládateľnými rádioteleskopmi, zaznamenal J1023 ako milisekundový rádiový pulzar s frekvenciou rotácie 592 krát za sekundu. Astronómovia až potom odhalili, že tento rýchlo rotujúci vesmírny maják sa nachádza už v pozorovaniach rádioastronomického observatória Very Large Array radio telescope v Novom Mexiku z roku 1998, kedy ho ako pulzar nerozoznali a o rok neskôr (1999)sa objavil aj v spektrálnej oblasti viditeľného svetla pri Sloanovom digitálnom mapovaní oblohy (Sloan Digital Sky Survey), kedy ho zaradili medzi štandardné hviezdy. Po objave (2007), že ide o rádiový pulzar sa na J1023 detailne zamerali 4 veľké rádioteleskopy v USA, na Portoriku, v Holandsku a v Austrálii. Analýza ich meraní prezrádza, že druhý člen binárneho systému je hviezda s asi polovičnou hmotnosťou nášho Slnka a okolo svojho síce menšieho, ale o to hmotnejšieho pažravého neutrónového vykorisťovateľa obehne raz za 4 a trištvrte hodiny (fyzikálne správne povedané – obe telesá obiehajú okolo svojho spoločného ťažiska).
Zaujímavé informácie poskytli staršie merania aj v otázke dynamiky akrečného disku okolo neutrónovej hviezdy. V 1999 pozorovaný nebol, v rokoch 2000 a 2001 už áno, ale v máji 2002 už opäť nie a aj vtedy bol J1023 identifikovaný aj ako rádiový zdroj. Zvláštne teda je, že pokiaľ sa akrečný disk z hmoty gravitačne kradnutej od sprievodnej optickej hviezdy vytvára, neutrónová hviezda sa ako rádiový pulzar nehlási. Keď pribúdanie hmoty ustane a prebytočný materiál je pohltený, alebo odvrhnutý tlakom žiarenia, citlivé rádioteleskopy začnú od J1023 zachytávať rádiový signál, znejúci ako tón, odpovedajúci rotačnej perióde pulzaru – 1,7 milisekundy, čiže 0,0017 sekundy.
Zvukový signál milisekundového rádiového pulzaru J1023
Takto sa teda rádioastronómom hlási piaty najrýchlejší medzi známymi rádiovými pulzarmi. Za sekundu sa otočí okolo osi 592 krát a s takou frekvenciou nás zasiahne rádiový lúč žiariaci z jeho magnetického pólu. Preto sa zvukový záznam takýchto impulzov zlieva do tónu (zvuk nemá nič spoločné s frekvenciou elektromagnetického žiarenia, je to vlnenie hmotné, čiže pohyb hmotných častíc). Ak by pulzar rotoval pomalšie, záznam by bol súborom rozoznateľných zvukových pulzov. Na nahrávke je počuť, že intenzita žiarenia nie je konštantná, ale kolíše. Podľa astronómov tieto jej zmeny spôsobujú zhluky ionizovaného plynu, ktoré náhodne pretnú naše úzke zorné pole smerom k pulzaru a odtienia signál niekedy len na okamih, inokedy aj na niekoľko minút až pol hodiny. Intenzita tónu tak vlastne odráža mieru hustoty plynu v smere J1023 -Zem. Vedci sa prikláňajú k hypotéze, že ide o nepravidelné výtrysky materiálu vytrhávaného z vonkajších vrstiev sprievodnej hviezdy žiarením pulzaru.
Zhrnutie:
Takže kým sa akrečný disk vytvára, J1023 je röntgenovým žiaričom, keď sa vytvárať prestane a postupne mizne, tak sa z neho stáva milisekundový rádiový pulzar. J1023 poskytuje astronómom výnimočnú možnosť pozorovať jednotlivé fázy tohoto prechodu. Predpokladajú, že v priebehu nasledujúcich piatich rokov by sa okolo neutrónovej hviezdy mal opäť začať vytvárať akrečný disk, čo by malo spôsobiť, že ako rádiový pulzar opäť umĺkne a začne vyžarovať v röntgenovom spektre. Je to cyklický dej, opakujúci sa, kým sprievodná hviezda má dostatok materiálu na jeho udržiavanie. Anne Archibald k vysvetleniu dodáva: „Poznáme aj iné typy dvojhviezdneho (binárneho) systému, ktoré nazývame nízkohmotné röntgenové bináry (low-mass X-ray binary - LMXB). Taktiež obsahujú rýchlo rotujúce neutónové hviezdy okolo ktorých sa vytvára akrečný disk. Tieto však nevyžarujú rádiové vlny. Myslíme si, že LMXB sú možno vo fáze roztáčania sa a rádiové žiarenie budú vo forme pulzaru vyžarovať až neskôr“.
V súčasnosti J1023 predstavuje chýbajúci čriepok poznania vývoja určitého druhu pulzarov uväznených v binárnom zväzku s inou hviezdou. Vývoja, s akým sa doposiaľ neuvažovalo ani v teoretických modeloch. Je ohnivkom, ktoré prepája oba pozorované systémy - LMXB s akrečným diskom a rádiový milisekundový pulzar bez neho. Vedcov čaká hľadanie odpovedí na mnoho otázok. Napríklad prečo a ako ustane prísun nového materiálu zo sprievodnej hviezdy a akrečný disk sa postupne stratí.
Animácia pulzaru, ktorý emituje aj gama žiarenie:
Zdroje: stránka National Radio Astronomy Observatory, Science a SciencePodcast