Kako visoke so gore na pulzarjih?

Zgodba iz vesolja

Si predstavljaš, da se sprehajaš po nevtronski zvezdi – ostanku mogočne zvezde, ki je še pred kratkim sijala v vsej svoji lepoti? Gravitacija na njej je tako neznansko močna, da popolnoma zgladi površje tega telesa. A le na prvi pogled. Nenadoma se ob nekaj spotakneš. Izkaže se, da gre za nekakšno goro. Ta gora je miniatura v primerjavi s tistimi na Zemlji a je kljub temu njena masa enaka masi celotnega Mount Everesta. Njen obstoj je za znanstvenike velika uganka. Gora ima velik vpliv na evolucijo nevtronske zvezde, ki ga šele začenjamo razumevati.

Kozmični svetilniki

Smrt največjih zvezd je še posebej veličasten dogodek, saj eksplodirajo kot supernove, pri čemer zasijejo tako močno, da prekosijo celotne galaksije. Med eksplozijo se jedro teh velikih zvezd sesede v le 10 kilometrov veliko kepo, ki ji pravimo nevtronska zvezda. Kot pove že ime, ta telesa večinoma sestavljajo nevtroni, kar je posledica dejstva, da se med kolapsom elektroni ter protoni zlijejo v te električno nevtralne delce.

Primerjava velikosti nevtronske zvezde z velikostjo belih pritlikavk, ki so po velikosti podobne Zemlji. Vir: Wikipedia.

Pred kratkim je skupina kitajskih astronomov predlagala, da površje nevtronskih zvezd ni popolnoma gladko, kot smo domnevali do sedaj. Na njihovi površini naj bi se pojavljale nekakšne “gore”, ki pa se močno razlikujejo od tistih na Zemlji.

Kljub njihovemu skromnemu premeru, je masa nevtronskih zvezd vse prej kot majhna – najmanj za 1,4 Sončeve mase je mora biti. To pomeni, da je snov na površju nevtronskih zvezd izredno gosta: če bi nabrali za vžigalično škatlo te tvarine, bi njena masa znašala 3 milijarde ton! Enako količino snovi z Zemljinega površja bi spravili v kocko z 800 metri velikimi robovi.

Nevtronske zvezde med svojim nastankom približno ohranijo vrtilno količino izvornega zvezdinega jedra, kar pomeni, da se med sesedanjem vrtijo čedalje hitreje. Najhitrejša nevtronska zvezda se okoli svoje osi zavrti kar 716-krat na sekundo.

To hitro vrtenje nevtronskih zvezd povzroča močna magnetna ter električna polja na njihovem površju, ki pospešujejo tistih nekaj preostalih nabitih delcev, ki zaradi tega oddajajo elektromagnetno valovanje. Slednje uide v vesolje v obliki dveh tankih snopov, usmerjenih vzdolž zvezdinih magnetnih polov. Da bi ga zaznali, mora eden od snopov biti usmerjen naravnost proti Zemlji. Ker os magnetnega polja nevtronskih zvezd v splošnem ne sovpada z njihovo osjo vrtenja, snopa med vsakim obratom spreminjata svojo smer. Posledično opazovalec na Zemlji vidi, da nevtronska zvezda “utripa”, pri čemer je frekvenca utripanja enaka frekvenci vrtenja zvezde. Utripajočim oziroma pulzirajočim nevtronskim zvezdam pravimo pulzarji.

Umetniška upodobitev pulzarja. Vir: Wikipedia.

Toda pulzarji postopoma izgubljajo svojo energijo, zaradi česar se njihova hitrost vrtenja počasi znižuje. Astrofiziki so izračunali, da ko se vrtenje dovolj upočasni, snopa izgineta in pulzar utihne. Teoretično določeno mejo za hitrost vrtenja, pri kateri se to zgodi, znanstveniki imenujejo kar “prag smrti”. Do tega naj bi prišlo nekako 10 do 100 milijonov let po nastanku nevtronske zvezde. Izmed vseh nevtronskih zvezd, ki so nastale skozi 13,6 milijard letno zgodovino vesolja, jih danes pulzira le kak odstotek.

Nekateri nočejo utihniti

Dve nevtronski zvezdi, PSR J0250+5854 in PSR J2144-3933, astronome begata že leta. Ta dva pulzarja bi morala že zdavnaj utihniti, saj se vrtita izjemno počasi, s periodama 23,5 ter 8,5 sekund. Prvi je najpočasnejši znani pulzar, drugi pa je s površinsko temperaturo 42,000 K najhladnejša znana nevtronska zvezda. Dejstva, da ti nebesni telesi sevata močna snopa elektromagnetnega valovanja v radijskem delu spektra, astronomi v okviru obstoječih teorij ne morejo razložiti.

Nedavno se je skupina astronomov s pekinške univerze odločila poiskati odgovor na vprašanje kaj ohranja oba pulzarja pri življenju. Predstavili so matematični model, ki predvideva, da površja nevtronskih zvezd niso popolnoma gladka, temveč da na njih obstajajo – gorovja.

Znak obstoja novega tipa snovi?

Glede na to, da je premer nevtronskih zvezd le malenkost večji od najvišje gore na svetu – Mount Everesta, ni pričakovati, da bi se na njihovem površju dvigovaale visoke gore. Za to poskrbi mogočna gravitacija, ki je kar 100 milijard krat močnejša od tiste na Zemlji. Model kitajskih znanstvenikov predvideva obstoj gora, ki se nad površino dvigajo le za centimeter, kar je primerljivo z velikostjo naših nohtov.

Te drobne vzpetine naj bi lokalno močno ojačale obstoječa električna polja, kar bi omogočalo pospeševanje nabitih delcev in posledično snope radijskih valov.

Vendar obstaja težava. Za utemeljitev njihovega modela morajo kitajski astronomi pojasniti vzroke za obstoj gora na nevtronskih zvezdah. Znanstveniki so prepričani, da so te gore narejene iz novega tipa “čudne snovi”, ki je ne sestavljajo običajni protoni in nevtroni, temveč tesno povezani skupki kvarkov generacij gor, dol in čudnost. Te naj bi med sabo povezovala močna jedrska sila, ki lahko kljubuje gromozanski gravitaciji.

Animacija pulzarja. Vir: Wikipedia.

Težava je v tem, da trenutno še nimamo dokazov za obstoj “čudne snovi”.

Gore na pulzarjih bi lahko pomagale pojasniti še eno skrivnost – njihov nastanek ter izginotje bi bila lahko povezana z nenadnimi, skokovitimi spremembami hitrosti vrtenja nevtronskih zvezd in t.i. zvezdnimi potresi. Morda pa nam bodo ravno mini gore na pulzarjih razkrile, kaj se v resnici dogaja v notranjost teh enigmatičnih nebesnih teles.

Nadaljna čtiva za najbolj radovedne

1. Sebastien Guillot et al 2019, Hubble Space Telescope Nondetection of PSR J2144–3933: The Coldest Known Neutron Star, ApJ 874 175DOI 10.3847/1538-4357/ab0f38.
2. C H Agar et al. A broad-band radio study of PSR J0250+5854: the slowest spinning radio pulsar known, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Volume 508, Issue 1, November 2021, Pages 1102–1114, https://doi.org/10.1093/mnras/stab2496
3. C H Agar, P Weltevrede, L Bondonneau, J-M Grießmeier, J W T Hessels, W J Huang, A Karastergiou, M J Keith, V I Kondratiev, J Künsemöller, D Li, B Peng, C Sobey, B W Stappers, C M Tan, G Theureau, H G Wang, C M Zhang, B Cecconi, J N Girard, A Loh, P Zarka, A broad-band radio study of PSR J0250+5854: the slowest spinning radio pulsar known, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Volume 508, Issue 1, November 2021, Pages 1102–1114, https://doi.org/10.1093/mnras/stab2496
4. Zi-Hao Xu, Wei-Yang Wang, Ren-Xin Xu, Pulsar Sparking: What if mountains on the surface?, Pulsar Sparking: What if mountains on the surface?
5. Neutron star, Wikipedia.
6. Pulsar, Wikipedia.