Przejdź do treści

Cztery spojrzenia na gwiazdy neutronowe, pulsary i magnetary

Wizja artystyczna silnego pola magnetycznego gwiazdy neutronowej.

Jądro masywnej gwiazdy wybuchającej jako supernowa zapada się i tworzy gwiazdę neutronową. Obiekty te wykazują intrygujące zachowania, takie jak szybką rotację, wiązki emisji radiowej i niezwykle silne pola magnetyczne. 

Kiedy masywna gwiazda wybucha jako supernowa, jej jądro zapada się w kulę neutronów wielkości miasta, zwaną gwiazdą neutronową. Te niezwykle gęste gwiazdy – jedna łyżeczka gwiazdy neutronowej ważyłaby miliardy ton w ziemskiej grawitacji – zachowują się co najmniej nietypowo.

Wybuch, ochłodzenie i ponowny wybuch
Czasami gwiazdy neutronowe ujawniają się poprzez interakcje z innymi gwiazdami. Kiedy gwiazda neutronowa gromadzi gaz od swojego towarzysza, gaz może zapalić się na płonącej powierzchni gwiazdy, powodując nagłą emisję promieniowania rentgenowskiego. W jaki sposób gwiazda neutronowa ochładza się po tym gwałtownym napływie ciepła i jak ochładzanie odzwierciedla się na krzywej blasku gwiazdy? Chociaż może się to wydawać prostym pytaniem, odpowiedź zależy od zrozumienia warunków panujących we wnętrzu gwiazdy neutronowej, a także charakterystyki akreowanego gazu.

W niedawnej publikacji zespół kierowany przez Akirę Dohiego (Uniwersytet Kiusiu, Fukuoka, Japonia) zbadał kwestię stygnięcia gwiazd neutronowych za pomocą ogólnych relatywistycznych modeli ewolucji gwiazd. Zespół zbadał w szczególności skutki ochładzania poprzez emisję neutrin – pozbawionych ładunku, prawie nic nieważących cząstek, które prawie nie wchodzą w interakcje z materią, co ma przyspieszyć tempo stygnięcia. Autorzy odkryli, że chłodzenie neutrin wydłuża czas pomiędzy wybuchami, ale sprawia, że są one jaśniejsze w szczytowym momencie, choć dodatkowe parametry fizyczne, które zostaną uwzględnione w przyszłym modelowaniu, mogą stłumić ten efekt.

Symulacja pulsarowych iskier
Rahul Basu z Uniwersytetu Zielonogórskiego wraz ze współpracownikami przedstawił wyniki symulacji warunków panujących bardzo blisko powierzchni gwiazdy neutronowej, która emituje wiązki promieniowania radiowego. Gwiazdy neutronowe wysyłające fale radiowe nazywane są pulsarami ze względu na sposób, w jaki wiązki omiatają nasze pole widzenia, generując coś, co postrzegamy jako impulsy emisji. W pobliżu powierzchni pulsara ekstremalnie wysokie temperatury oraz silne pola magnetyczne i elektryczne łączą siły, tworząc model naładowanych cząstek, które są następnie przyspieszane do relatywistycznych prędkości.

Basu i współpracownicy skupili się na zjawisku zwanym iskrzeniem, w którym naładowane cząstki przeskakują lukę między powierzchnią pulsara na jego biegunach a bogatą w plazmę magnetosferą. Modelowanie przeprowadzone przez ten zespół wykazało, że bieguny pulsara są szczelnie wypełnione stałymi iskrami, a rozmieszczenie tych iskier powoli zmienia się w czasie. Modelując emisję związaną z symulowanymi iskrami, zespół wykazał, że przesuwający się ruch iskier wydaje się być odpowiedzialny za zaobserwowane okresowe zmiany w fazach i amplitudach pulsów niektórych pulsarów.

Pulsary badające fale grawitacyjne
Badając duże grupy pulsarów, astronomowie mają nadzieję dowiedzieć się więcej o czymś pozornie niepowiązanym: falach grawitacyjnych. Pulsary zapewniają metodę wykrywania fal grawitacyjnych za pomocą zdolności tych gwiazd do odmierzania czasu – ponieważ pulsowanie radiowego pulsara jest tak niezawodnie regularne, niewielkie zniekształcenie przestrzeni wywołane przez przechodzącą falę grawitacyjną powinno wpłynąć na czas dotarcia impulsów pulsara.

Jednak przestrzenne i czasowe zmiany w plazmie ośrodka międzygwiazdowego mogą również wpływać na czas dotarcia impulsów radiowych pulsara do Ziemi. Aby skompensować wpływ ośrodka międzygwiazdowego, musimy być w stanie prowadzić precyzyjne obserwacje pulsarów w całym zakresie częstotliwości radiowych. W najnowszym artykule Shyam Sharma (Tata Institute of Fundamental Research w Mumbaju) i jego współpracownicy przetestowali technikę pomiaru czasu pulsara za pomocą Giant Metrewave Radio Telescope, który jest bardzo czuły na fale radiowe o niskiej częstotliwości. Sharma i współpracownicy wykazali, że obserwacje przy użyciu szerokiego pasma częstotliwości dają wyniki porównywalne z typowymi obserwacjami wąskopasmowymi, co wskazuje, że technika ta może być użyta do oddzielenia efektów ośrodka międzygwiazdowego i dokładniejszego pomiaru czasu pulsów układów pulsarów, otwierając nowe okno na fale grawitacyjne.

Wybuchy magnetyczne
Niektóre gwiazdy neutronowe, zwane magnetarami, mają niezwykle silne pola magnetyczne i wytwarzają częste rozbłyski rentgenowskie. Chociaż przyczyna tych wybuchów wciąż nie jest znana, niektórzy badacze sugerują, że powstają one w wyniku nagłego przepływu energii magnetycznej pod skorupą magnetara, co tworzy gorące miejsce, które stopniowo ochładza się w ciągu dni lub miesięcy.

Aby zrozumieć, jak wstrzyknięcie ciepła do skorupy magnetara może powodować powstanie cech widmowych widocznych podczas wybuchów promieniowania X, Davide De Grandis z Uniwersytetu w Padwie i drugi współautor pracy zastosowali trójwymiarowy model magnetotermiczny powstawania i chłodzenia się gorących punktów. Model ten pozwolił zespołowi po raz pierwszy zbadać efekty asymetrycznych gorących punktów pod skorupą magnetara. Dwaj badacze potwierdzili, że te gorące punkty mogą być odpowiedzialne za wybuchy, ale będziemy musieli poczekać na przyszłe badania, aby w pełni zbadać ewolucję cech spektralnych generowanych podczas tych zdarzeń. 

Opracowanie: Agnieszka Nowak

Więcej informacji:

Źródło: AAS

Na ilustracji: Wizja artystyczna silnego pola magnetycznego gwiazdy neutronowej w Swift J0243.6+6124 wypuszczającej wyrzut. Źródło: ICRAR/University of Amsterdam

Reklama