Cztery spojrzenia na gwiazdy neutronowe, pulsary i magnetary

Jądro masywnej gwiazdy wybuchającej jako supernowa zapada się do gwiazdy neutronowej. 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 – wykazują jedne z najbardziej intrygujących zachowań we Wszechświecie: szybką rotację, wiązki emisji radiowej i niezwykle silne pola magnetyczne.

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 nagły wybuch promieniowania rentgenowskiego. W jaki sposób gwiazda neutronowa ochładza się po tym nagłym napływie ciepła i jak ochładzanie odzwierciedla się na krzywej blasku gwiazdy? Chociaż może się to wydawać prostym pytaniem, odpowiedź zależy od naszego zrozumienia warunków panujących we wnętrzu gwiazdy neutronowej, a także charakterystyki akreowanego gazu.

W niedawnej publikacji zespół kierowany przez Akirę Dohi (土肥明; Kyushu University, 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 bezmasowych 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 dodatkowa fizyka, która zostanie uwzględniona w przyszłym modelowaniu, może stłumić ten efekt.

Symulacja pulsarowych iskier
Rahul Basu (Uniwersytet Zielonogórski, Polska) wraz ze współpracownikami przedstawił wyniki symulacji warunków panujących bardzo blisko powierzchni gwiazdy neutronowej, która emituje wiązki promieniowania radiowego. Gwiazdy neutronowe emitujące 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 zespołu 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 o czymś pozornie niepowiązanym: falach grawitacyjnych. Pulsary zapewniają metodę wykrywania fal grawitacyjnych za pomocą nienagannych zdolności tych gwiazd do odmierzania czasu – ponieważ pulsowanie radiowego pulsara jest tak niezawodne, niewielkie zniekształcenie przestrzeni wywołane przez przechodzącą falę grawitacyjną powinno wpłynąć na czas dotarcia impulsów pulsara.

Istnieje jednak pewna komplikacja tej techniki: 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, Indie) i 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 wykazują częste rozbłyski rentgenowskie. Chociaż przyczyna tych wybuchów rentgenowskich wciąż nie jest znana, niektórzy badacze sugerują, że powstają one w wyniku nagłego przepływu energii magnetycznej pod skorupą magnetara tworzącego 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 (Uniwersytet w Padwie, Włochy) i 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. Zespół był w stanie potwierdzić, 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 wydarzeń.

Opracowanie:
Agnieszka Nowak

Źródło:
AAS

Vega

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