Astrofizyk z Uniwersytetu Kansas być może rozwiązał trwającą prawie dwie dekady zagadkę pochodzenia niezwykłego wzoru „zebry” widocznego w impulsach radiowych o wysokiej częstotliwości z Mgławicy Kraba.
Jego odkrycia zostały właśnie opublikowane w Physical Review Letters (PRL), jednym z najbardziej prestiżowych czasopism w dziedzinie fizyki.
Mgławica Kraba ma w swoim centrum gwiazdę neutronową, która uformowała się w pulsara o średnicy 19 kilometrów, rozrzucającego promieniowanie elektromagnetyczne po kosmosie.
Emisja, która przypomina promień latarni morskiej, wielokrotnie omiata Ziemię, gdy gwiazda rotuje – powiedział główny autor artykułu, Mikhail Miedwiediew, profesor fizyki i astronomii na Uniwersytecie Kansas. Obserwujemy to jako emisję pulsacyjną, zwykle z jednym lub dwoma impulsami na obrót. Pulsar, o którym mówię, jest znany jako Pulsar Kraba i znajduje się w centrum Mgławicy Kraba, 6000 lat świetlnych od nas.
Mgławica Kraba jest pozostałością po supernowej, która pojawiła się w 1054 roku (SN 1054).
Historyczne zapisy, w tym chińskie relacje, opisują niezwykle jasną gwiazdę pojawiającą się na niebie – powiedział badacz KU.
Miedwiediew powiedział, że w przeciwieństwie do jakiegokolwiek innego znanego pulsara, Pulsar Kraba ma wzór zebry – nietypowe odstępy między pasmami w widmie elektromagnetycznym proporcjonalne do częstotliwości pasma, a także inne dziwne cechy, takie jak wysoka polaryzacja i stabilność.
Jest bardzo jasny, praktycznie we wszystkich zakresach fal – powiedział. Jest to jedyny znany nam obiekt, który wytwarza wzór zebry i pojawia się on tylko w pojedynczym składniku emisji z Pulsara Kraba. Główny impuls jest impulsem szerokopasmowym, typowym dla większości pulsarów, z innymi składnikami szerokopasmowymi wspólnymi dla gwiazd neutronowych. Jednak impuls o wysokiej częstotliwości jest unikalny, w zakresie od 5 do 30 gigaherców – częstotliwości podobnej do tych w kuchence mikrofalowej.
Od czasu odkrycia tego wzoru w artykule z 2007 roku, naukowiec KU stwierdził, że wzór ten okazał się „zaskakującym” dla badaczy.
Naukowcy zaproponowali różne mechanizmy emisji, ale żaden z nich nie wyjaśnił w przekonujący sposób zaobserwowanych wzorów – powiedział.
Wykorzystując dane z Pulsara Kraba, Miedwiediew opracował metodę wykorzystującą optykę falową do pomiaru gęstości plazmy pulsara – „gazu” naładowanych cząstek (elektronów i pozytonów) – za pomocą wzoru prążków znalezionego w impulsach elektromagnetycznych.
Jeżeli masz ekran i przechodzi przez niego fala elektromagnetyczna, fala nie rozchodzi się prosto – powiedział Miedwiediew. W optyce geometrycznej cienie rzucane przez przeszkody rozciągałyby się w nieskończoność – jeśli jesteś w cieniu, nie ma światła; poza nim widzisz światło. Ale optyka falowa wprowadza inne zachowanie – fale zakrzywiają się wokół przeszkód i interferują ze sobą, tworząc sekwencję jasnych i ciemnych prążków z powodu konstruktywnej i destrukcyjnej interferencji.
To dobrze znane zjawisko wzoru prążkowego jest wywołane stałą konstruktywną interferencją, ale ma inną charakterystykę, gdy fale radiowe rozchodzą się wokół gwiazdy neutronowej.
Typowy wzór dyfrakcyjny wytworzyłby równomiernie rozmieszczone prążki, gdybyśmy mieli tylko gwiazdę neutronową jako tarczę – powiedział Miedwiediew. Ale tutaj pole magnetyczne gwiazdy neutronowej generuje naładowane cząstki tworzące gęstą plazmę, która zmienia się wraz z odległością od gwiazdy. Gdy fala radiowa rozchodzi się przez plazmę, przechodzi przez rozrzedzone obszary, ale jest odbijana przez gęstą plazmę. Odbicie to zależy od częstotliwości: niskie częstotliwości odbijają się na dużych promieniach, rzucając większy cień, podczas gdy wysokie częstotliwości tworzą mniejsze cienie, co skutkuje różnymi odstępami między prążkami.
W ten sposób Miedwiediew ustalił, że materia plazmowa Pulsara Kraba powoduje dyfrakcję impulsów elektromagnetycznych odpowiedzialnych za pojedynczy wzór zebry gwiazdy neutronowej.
Ten model jest pierwszym, który jest w stanie zmierzyć te parametry – powiedział Miedwiediew. Analizując frędzle, możemy wywnioskować gęstość i rozkład plazmy w magnetosferze. To niesamowite, ponieważ te obserwacje pozwalają nam przekształcić pomiary frędzli w rozkład gęstości plazmy, zasadniczo tworząc obraz lub wykonując tomografię magnetosfery gwiazdy neutronowej.
Miedwiediew powiedział, że jego teorię można przetestować, zbierając więcej danych z Pulsara Kraba i dopasować ją, uwzględniając jego silne i dziwne efekty grawitacyjne i polaryzacyjne. Nowe zrozumienie tego, jak materia plazmowa zmienia sygnał pulsara, zmieni sposób, w jaki astrofizycy rozumieją inne pulsary.
Pulsar Kraba jest w pewnym sensie wyjątkowy – jest stosunkowo młody jak na standardy astronomiczne, ma zaledwie około tysiąca lat i jest bardzo energetyczny – powiedział. Ale nie jest sam; znamy setki pulsarów, z których kilkanaście jest również młodych. Znane pulsary podwójne, które zostały wykorzystane do przetestowania ogólnej teorii względności Einsteina, mogą być również badane za pomocą proponowanej metody. Badania te mogą rzeczywiście poszerzyć nasze zrozumienie i techniki obserwacji pulsarów, szczególnie tych młodych i energetycznych.
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Źródło:
Uniwersytet Kansas
