pulsari

Yleensä neutronitähtien tutkimus keskittyy radio- ja röntgenalueille, mutta nyt niihin on avautunut ikkuna myös infrapuna- eli lämpösäteilyn aallonpituuksilla.

”Tämä neutronitähti on yksi seitsemästä läheisestä röntgenpulsarista, jotka ovat kuumempia kuin niiden pitäisi ikänsä ja pyörimisliikkeen hidastumisesta saatavan energian perusteella olla”, toteaa kansainvälistä tutkijaryhmää johtanut Bettina Posselt Pennsylvanian valtionyliopistosta.

Neutronitähden ympärillä on laaja infrapunasäteilyä lähettävä alue, RX J0806.4-4123, jonka läpimitta on lähes 30 miljardia kilometriä eli noin 200 kertaa suurempi kuin Auringon ja Maan välinen etäisyys.

Kyseessä on ensimmäinen neutronitähti, josta on tehty tällaisia infrapunahavaintoja. Tutkijoiden mukaan ne selittyvät joko pulsaria ympäröivällä pölykiekolla tai ”pulsarituulella”.

0FGL J2339.8-0530 on voimakas gammasäteilylähde, joka päätyi Fermi-avaruusteleskoopin kohdeluetteloon vuonna 2009. Muilla aallonpituuksilla tehdyt havainnot paljastivat, että se on millisekuntipulsari, joka kuuluu hyvin lähekkäiseen kaksoistähtijärjestelmään. 

Millisekuntipulsarit ovat tiheitä neutronitähtiä, massiivisten tähtien jäännöksiä, jotka nimensä mukaisesti pyörivät niin vinhasti, että ne tuikahtavat millisekuntien välein. Pulsarien voimakas magneettikenttä suuntaa niiden säteilyn kahteen kapeahkoon keilaan, jotka saavat ne näyttämään kosmisilta majakoilta. 

Gammasäteilylähteen toinen luettelonimi on PSR J2339-0533 – jos se nyt tekee muistamisen helpommaksi – ja sen radiosäteily paljasti kaksoistähdessä käynnissä olevan vuorovaikutuksen. 

Pulsarin voimakas säteily kuumentaa kaksoistähden toista osapuolta, tavallista tähteä, ja höyrystää sen uloimpia kerroksia. Höyrystyneestä aineesta muodostuu kaasupilviä, jotka imevät itseensä pulsarin radiosäteilyä ja aika ajoin peittävät sen "näkyvistä".

Gammasäteily sen sijaan läpäisee vaivatta kaasun ja tarjoaa aallonpituusalueen, jolla kaksoistähden ominaisuuksia on nyt pystytty määrittämään yksityiskohtaisesti. Pulsari ja tähti kiertävät toisensa kerran 4,6 tunnissa, mutta kiertoliike ei ole tasaista. Fermi-avaruusteleskoopin avulla pystyttiin tekemään huipputarkkoja havaintoja ja ne paljastivat kaksoistähden kiertoliikkeessä odottamattomia vaihteluja.

"Muutokset ovat ainoastaan joitakin sekunnin tuhannesosia, mutta verrattuna sekunnin miljoonasosien havaintotarkkuuteen, ne ovat suuria", kertoo tutkijaryhmään kuulunut Colin Clark. "Maan kiertoliikkeeseen suhteutettuna se tarkoittaisi, että vuoden pituus vaihtelisi kymmeniä sekunteja suuntaan tai toiseen."

Poikkeuksellinen tarkkuus perustui uuteen tapaan tarkastella lähteen lähettämää säteilyä. "Toisin kuin aikaisemmissa havaintomenetelmissä, joissa tarkasteltiin useiden gammafotonien keskimääräistä saapumisaikaa ja näin menetettiin ajallinen erotuskyky, meidän soveltamamme menetelmä perustuu yksittäisten fotonien saapumisaikoihin", selittää Clark. 

Todennäköisimpänä syynä kiertoajan vaihteluun pidetään pieniä muutoksia tähden muodossa. Niiden taustalla olisi puolestaan magneettinen aktiivisuus, periaatteessa samanlainen, mutta paljon voimakkaampi ilmiö kuin Auringossa. Kun tähden muoto muuttuu, tapahtuu myös sen vetovoimassa muutoksia, ja se vaikuttaa tähden ja pulsarin keskinäiseen kiertoliikkeeseen.  

Asia ei kuitenkaan ole vielä loppuunkäsitelty eikä selitys täysin vankalla pohjalla. "Tulevaisuudessa samaan aikaan näkyvän valon alueella tehtävät havainnot auttavat meitä osoittamaan tähden aktiivisuuden ja kiertoajan muutosten välisen riippuvuuden", toivoo tutkijaryhmää johtanut Holger Pletsch.

Tutkimuksesta kerrottiin Albert Einstein -instituutin uutissivulla ja se julkaistiin The Astrophysical Journal -tiedelehdessä.

Kuva: Knispel/AEI/SDO/AIA/NASA/DSS

Voivatko neutronitähti ja pulsari muodostaa kaksoistähden? Kyllä voivat, vaikka sellaisia ei kovin paljon tunnetakaan. Nyt näiden harvinaisten järjestelmien joukko on kasvanut poikkeuksellisella parilla.

Pulsarit löydettiin vuonna 1967, kun taivaalta havaittiin tulevan hyvin säännöllisiä radiopulsseja. Ennestään tuntemattomille kohteille annettiin ensin tunnukseksi LGM, Little Green Men eli "pienet vihreät miehet": pulssien säännöllisyyden arveltiin mahdollisesti viittaavan keinotekoiseen alkuperään.

Oudot kohteet osoittautuivat kuitenkin luonnontuotteiksi, vinhasti pyöriviksi neutronitähdiksi, jotka ovat Aurinkoa massiivisempien tähtien kehityksen päätepisteitä. Pulsareiden säteily suuntautuu voimakkaan magneettikentän ansiosta kahteen vastakkaiseen keilaan. Jos keilat sattuvat osumaan Maan suuntaan, ne havaitaan hyvin nopeasti sykkivinä pulsseina, kuin kaukaisen majakan välkkeenä.

Noin joka kymmenes pulsari kuuluu kaksoistähtijärjestelmään. Useimmiten parina on valkoinen kääpiö, suunnilleen Auringon kokoisen tähden jäähtyvä jäänne. Vain ani harva pulsari kiertää toista neutronitähteä, pääsarjaan kuuluvasta, vakaasti loistavasta tähdestä puhumattakaan. Tutkijoiden mukaan kaksoisneutronitähtien harvinaisuus johtuu neutronitähtien syntytavasta.

Kun Aurinkoa massiivisempi tähti päättää päivänsä, se räjähtää supernovana. Vaikka kuoleva tähti alkujaan kuuluisikin kaksoistähtijärjestelmään – kuten suuri osa tähdistä kuuluu – räjähdys sinkoaa tähden tiiviiksi puristuneen jäänteen eli neutronitähden usein kauas avaruuteen: kaksoistähtijärjestelmä hajoaa.

Todennäköisyys sille, että kaksoistähti selviäisi peräti kahdesta supernovaräjähdyksestä, jolloin jäljelle jäisi kaksoisneutronitähti, on hyvin pieni. Mahdotonta se ei kuitenkaan ole, ja uuden löydön toivotaan antavan valaistusta tähän epätodennäköiseen syntyprosessiin.

Uuden pulsarin, joka sai tunnuksekseen PSR J1930-1852, löysivät lukiolaiset Cecilia McGough ja De’Shang Ray vuonna 2012. He olivat mukana Yhdysvaltain kansallisen tiedesäätiön järjestämässä PSC-projektissa (Pulsar Search Collaboratory). Siinä lukiolaiset saavat tutkia radioteleskoopilla kerättyä havaintoaineistoa, jossa saattaa piileksiä merkkejä pulsareista.

Hyviä kandidaatteja löytävät lukiolaiset pääsevät Green Bankin radio-observatorioon tekemään jatkohavaintoja yhdessä tähtitieteilijöiden kanssa. Green Bankin 100-metrinen antenni on maailman suurin täysin suunnattava radioteleskooppi. Se sijaitsee "kansallisella radiohiljaisuuden vyöhykkeellä", joka on muodostettu varmistamaan ensiluokkaiset olosuhteet huipputarkkojen radiohavaintojen tekemiselle.

Lopullinen todiste…? Ehkä joidenkin mielestä, mutta todellisuudessa kuvassa näkyy tähden räjähdyksessä syntynyt laajeneva kaasupilvi, jonka sen keskellä oleva pulsari eli vinhasti pyörivä neutronitähti PSR B1509-58 saa säteilemään röntgenalueella. ”Käden” eli noin 150 valovuoden läpimittaisen kaasupilven keskellä oleva pulsari pyörähtää akselinsa ympäri seitsemän kertaa sekunnissa. Kohde sijaitsee eteläisellä taivaalla Harpin tähdistössä ja sen etäisyys on 17 000 valovuotta. Kuvan on ottanut Chandra-avaruusteleskooppi: värit eivät ole todellisia, vaan ne kertovat röntgensäteilyn voimakkuudesta. Sinisiltä alueilta tuleva säteily on voimakkainta, punaisilta tuleva heikointa.