Zdjęcie w tle: Kevin Gill

PSR J0311+1402 emituje błysk co 41 sekund, co jest wyjątkowo wolnym tempem jak na pulsar. Obiekt ten może stanowić brakujące ogniwo pomiędzy szybko i wolno rotującymi źródłami radiowymi.

Kevin Gill

Gwiazdy neutronowe to gorące, szybko rotujące pozostałości po masywnych gwiazdach. Wiele z nich to pulsary – obiekty emitujące sygnały radiowe, które trafiają na Ziemię podobnie jak światło z latarni morskiej. Grafika autorstwa Kevina M. Gilla, dostępna na stronie autora na licencji CC BY 4.0.

Około 2600 lat świetlnych od nas, w mrocznych głębinach kosmosu gwiazda, której życie już zgasło, pulsuje w sposób, który nie śnił się naszym astronomom.

Martwa gwiazda, oddalona o 2600 lat świetlnych, nadaje sygnały zza grobu.

Astronomowie niedawno odkryli niezwykły sygnał z kosmosu, pochodzący od pulsara, który „mruga” w zwolnionym tempie. Według dotychczasowych teorii nie powinno być to możliwe.

„To niesamowicie ekscytujące odkryć tak wolno rotującego pulsara” – mówi Yuanming Wang, badaczka postdoktorancka z Uniwersytetu Swinburne w Australii i główna autorka pracy opublikowanej 28 marca w Astrophysical Journal Letters. – „Jeszcze bardziej ekscytujące jest to, że nowa metoda, którą zastosowaliśmy, otwiera drogę do odnalezienia kolejnych ukrytych obiektów w kosmosie”.

Naukowcy planują teraz poszukiwać więcej takich osobliwych obiektów, które mogą pomóc zrozumieć, co dzieje się pomiędzy znanymi szybko rotującymi pulsarami a tymi nielicznymi, które obracają się wyjątkowo powoli – w sposób dotąd uznawany za niemożliwy.

Powolne, ale regularne

Pulsary to pozostałości po masywnych gwiazdach, które zakończyły swoje życie w wybuchu supernowej. Jądro takiej gwiazdy zapada się do postaci niezwykle gęstej gwiazdy neutronowej, o średnicy zaledwie około 10 km. Ściśnięcie do tak małego obiektu oznacza, że ​​jego obrót przyspiesza. Dzieje się to na tej samej zasadzie, co w przypadku łyżwiarza figurowego, który wiruje szybciej, gdy przyciąga ramiona do ciała.

Pulsary emitują wiązki promieniowania ze swoich biegunów. W miarę obrotu gwiazdy wiązki te przemierzają przestrzeń kosmiczną. Jeśli skierowane są one ku Ziemi, to rejestrujemy je jako regularne błyski światła, zwykle w zakresie fal radiowych. Najszybsze pulsary „mrugają” nawet dziesiątki tysięcy razy na minutę. Natomiast najwolniejsze zwykle przynajmniej raz na 10 sekund.

Jednak w 2022 roku odkryto obiekt wysyłający impulsy radiowe jak pulsar, ale znacznie wolniej: tylko raz na 18 minut. Od tego czasu zidentyfikowano kilka podobnych przypadków, znanych jako transjenty długookresowe, których okres obrotu trwa od kilku minut do nawet kilku godzin.

Problem z wolnymi pulsarami

Na pierwszy rzut oka mogłoby się wydawać, że to po prostu wyjątkowo wolno rotujące pulsary. Ale jest pewien istotny problem z tym wytłumaczeniem. Pulsary czerpią energię ze swojej rotacji, z czasem obracają się coraz wolniej, a utrata energii obrotowej przekształca się w emisję fal radiowych.
Jeśli pulsar obraca się zbyt wolno, to ta energia nie wystarcza już do podtrzymania emisji. Obiekt w ten sposób przekracza tzw. granicę śmierci pulsara (pulsar death line) i przestaje emitować promieniowanie radiowe.

Dlatego transjenty o długim okresie nie powinny być tak wolne i jasne, jeśli działają na tych samych zasadach co zwykłe pulsary. Być może są to jednak gwiazdy neutronowe o nietypowym zachowaniu, lub zupełnie inne obiekty, np. białe karły czy układy podwójne.

Brakujące ogniwo

Nowo odkryty pulsar, PSR J0311+1402, może dać nowe wskazówki. Ma okres rotacji 41 sekund, znacznie dłuższy niż u typowych pulsarów, ale krótszy niż u znanych transjentów długookresowych. Może zatem stanowić ogniwo pośrednie między obiema grupami.

Obiekt został wykryty przez australijski interferometr radiowy ASKAP (Australian Square Kilometre Array Pathfinder), a następnie obserwowany przez inne radioteleskopy, które potwierdziły, że posiada wszystkie cechy klasycznego pulsara: charakterystyczną jasność, okresowość i polaryzację. Jednak jego rotacja nadal jest zbyt wolna, by samoistnie napędzać emisję radiową.

„To nie pasuje do obecnie dominujących teorii na temat emisji radiowej pulsarów”, mówi Wang. – „Jeśli pulsar obraca się zbyt wolno, nie powinniśmy w ogóle widzieć jego emisji radiowej. A ten jest bardzo wolny”, co sprawia, że ​​astronomowie zastanawiają się, skąd pochodzi energia zasilająca jego promieniowanie.

Nowa populacja czeka na odkrycie

Analiza PSR J0311+1402 może pomóc zrozumieć, jak działają transjenty długookresowe oraz czy rzeczywiście należą do jednej rodziny z klasycznymi pulsarami. Wang dodaje: „Uważam, że takich obiektów jest więcej, tylko dotąd nie wiedzieliśmy, jak ich szukać. Standardowe metody poszukiwania pulsarów koncentrowały się na okresach poniżej 10 sekund, więc wolniejsze pulsary mogły nam po prostu umknąć”.

Dotąd pulsary znajdowano głównie przy pomocy pojedynczych dużych radioteleskopów, które trudno wyłapują słabe sygnały pojawiające się rzadziej niż raz na 10 sekund, ponieważ są one łatwo maskowane przez szum tła. Z kolei transjenty długookresowe odkrywa się zazwyczaj za pomocą interferometrii, czyli połączenia sygnałów z wielu anten radiowych. Metoda ta z kolei nie jest idealna dla szybkich pulsarów przez zbyt krótkie błyski, które mogą się „rozmywać” podczas przetwarzania danych. To sprawia, że obiekty o pośrednich okresach rotacji, takich jak PSR J0311+1402 wypadały z obu metod wykrywania i pozostawały w „ślepej strefie”.

Nowa era odkryć

Teraz jednak sytuacja się zmienia. „Używamy nowego systemu w ASKAP o nazwie CRACO, który doskonale nadaje się do wykrywania obiektów w tym brakującym zakresie” tłumaczy Wang. To właśnie CRACO umożliwiło odkrycie PSR J0311+1402 i może pomóc naukowcom ustalić, gdzie kończą się klasyczne pulsary, a zaczynają transjenty o długich okresach lub czy te dwie grupy są ze sobą bliżej spokrewnione, niż sądziliśmy.
„Odpowiedź na to pytanie pomoże nam lepiej zrozumieć całą populację gwiazd neutronowych i źródła ich emisji”.

Odkrycie to podkreśla, jak wiele jeszcze nie wiemy o Wszechświecie.

Początek nowej klasy?

„Wraz z pojawianiem się nowych instrumentów radiowych możemy odkrywać coraz więcej dziwnych obiektów na niebie” powiedziała Michelle Collins, wykładowczyni astronomii z Uniwersytetu Surrey w Wielkiej Brytanii, w jednym z podcastów. „Może się okazać, że to dopiero wierzchołek góry lodowej, a wśród gwiazd neutronowych czeka na nas cała nieznana klasa długo rotujących obiektów”.

Korekta – Rafał Górski