info@wetenschapsnet.com

Wat is een pulsar?

Wetenschap is voor iedereen

Wat is een pulsar?

Pulsars zijn bolvormige, compacte objecten die ongeveer zo groot zijn als een grote stad, maar meer massa bevatten dan de zon. Wetenschappers gebruiken pulsars om extreme toestanden van materie te bestuderen, te zoeken naar planeten buiten het zonnestelsel van de aarde en kosmische afstanden te meten. Pulsars kunnen wetenschappers ook helpen gravitatiegolven te vinden, die de weg zouden kunnen wijzen naar energetische kosmische gebeurtenissen zoals botsingen tussen superzware zwarte gaten. Ontdekt in 1967, pulsars zijn fascinerende leden van de kosmische gemeenschap.

Vanaf de aarde lijken pulsars vaak op flikkerende sterren. Aan en uit, aan en uit, ze lijken met een regelmatig ritme te knipperen. Maar het licht van pulsars flikkert of pulseert niet echt, en deze objecten zijn eigenlijk geen sterren.

Wat is een pulsar?

Pulsars stralen twee stabiele, smalle lichtstralen uit in tegengestelde richtingen. Hoewel het licht van de straal constant is, lijken pulsars te flikkeren omdat ze ook draaien. Het is dezelfde reden waarom een vuurtoren lijkt te knipperen wanneer hij door een zeeman op de oceaan wordt gezien: terwijl de pulsar draait, kan de lichtstraal over de aarde zwaaien, dan uit het zicht zwaaien en dan weer rondzwaaien. Voor een astronoom op de grond gaat het licht in en uit het zicht, wat de indruk wekt dat de pulsar aan en uit knippert. De reden waarom de lichtstraal van een pulsar ronddraait als een vuurtorenbundel is dat de lichtstraal van de pulsar doorgaans niet is uitgelijnd met de rotatie-as van de pulsar.

Dit diagram van een pulsar toont de gele lichtkegel die astronomen op aarde kunnen zien. De kegel is niet uitgelijnd met de spin-as, daarom zwaait de straal door de lucht in plaats van in slechts één richting te wijzen. (Afbeelding: NASA)

Omdat het “knipperen” van een pulsar wordt veroorzaakt door zijn spin, onthult de snelheid van de pulsen ook de snelheid waarmee de pulsar draait. In totaal zijn er meer dan 2.000 pulsars gedetecteerd. De meeste van deze roteren in de orde van één keer per seconde (deze worden soms “langzame pulsars” genoemd), terwijl er meer dan 200 pulsars zijn gevonden die honderden keren per seconde draaien (“milliseconde pulsars” genoemd). De snelst bekende pulsars van milliseconden kunnen meer dan 700 keer per seconde draaien.

Pulsars zijn niet echt sterren – of in ieder geval geen “levende” sterren. Pulsars behoren tot een familie van objecten die neutronensterren worden genoemd en die ontstaan ​​wanneer een ster die zwaarder is dan de zon in zijn kern zonder brandstof komt te zitten en op zichzelf instort. Deze stellaire dood veroorzaakt typisch een enorme explosie die een supernova wordt genoemd. De neutronenster is het dichte klompje materiaal dat overblijft na deze explosieve dood.

Neutronensterren hebben doorgaans een diameter van ongeveer 20 tot 24 kilometer, maar ze kunnen tot tweemaal de massa van de zon bevatten, die ongeveer 1,392 miljoen km in diameter is. Een stuk materiaal ter grootte van een suikerklontje van een neutronenster zou ongeveer 1 miljard ton wegen – ‘ongeveer hetzelfde als de Mount Everest’, aldus NASA. De zwaartekracht op het oppervlak van een neutronenster zou ongeveer 1 miljard keer sterker zijn dan de zwaartekracht op het aardoppervlak.

Het enige object met een hogere dichtheid dan een neutronenster is een zwart gat, dat zich ook vormt als een stervende ster instort. De meest massieve neutronenster ooit gemeten is 2,04 keer de massa van de zon. Wetenschappers weten niet precies hoe zware neutronensterren kunnen worden voordat ze zwarte gaten worden, aldus Feryal Özel, een professor in astronomie en astrofysica aan de Arizona State University, die gespecialiseerd is in compacte objecten en extreme toestanden van materie in het universum.

Pulsars zijn neutronensterren en zijn ook zeer magnetisch. Terwijl de aarde een magnetisch veld heeft dat net sterk genoeg is om zachtjes aan een kompasnaald te trekken, hebben pulsars magnetische velden die variëren van 100 miljoen keer tot 1 quadriljoen (een miljoen miljard) keer sterker dan die van de aarde.

“Om een ​​neutronenster als pulsar uit te zenden, moet hij de juiste combinatie van magnetische veldsterkte en spinfrequentie hebben”, vertelde Ozel in een e-mail aan Space.com. Sommige neutronensterren hebben misschien ooit als pulsars gestraald, maar stralen niet meer uit (lees hieronder meer). Ozel merkte ook op dat de straal van radiogolven die door een pulsar worden uitgezonden, mogelijk niet door het gezichtsveld van een op de aarde gebaseerde telescoop gaat, waardoor astronomen deze niet kunnen zien.

Waarom draaien pulsars?

De langzaamste pulsars die ooit zijn gedetecteerd, draaien in de orde van grootte van één keer per seconde, en dit worden doorgaans langzame pulsars genoemd. De snelst bekende pulsars kunnen honderden keren per seconde draaien en staan ​​bekend als snelle pulsars of millisecondepulsars (omdat hun spinperiode wordt gemeten in milliseconden).

Pulsars draaien omdat de sterren waaruit ze zijn gevormd ook roteren, en het ineenstorten van het stellaire materiaal zal natuurlijk de rotatiesnelheid van de pulsar verhogen. (Door massa dichter bij het midden van een draaiend object te brengen, neemt de rotatiesnelheid toe, daarom kunnen kunstschaatsers sneller draaien door hun armen naar hun romp te trekken.)

Pulsars zijn zo groot als kleine steden, dus het is geen sinecure om ze op te voeren naar zulke hoge snelheden. In feite vereisen pulsars van milliseconden een extra energiebron om tot zo’n hoge rotatiesnelheid te komen.

Wetenschappers denken dat pulsars in milliseconden gevormd moeten zijn door energie te stelen van een metgezel. De pulsar-sifons zijn van belang en momentum van zijn metgezel, waardoor de spinsnelheid van de pulsar geleidelijk toeneemt. Dit is slecht nieuws voor de begeleidende ster, die mogelijk volledig wordt verslonden door de pulsar. Dit zou verklaren waarom milliseconde pulsars zijn ontdekt zonder zichtbare metgezel in de buurt. Systemen waar wetenschappers een pulsar zien die het leven uit een ster zuigt, worden black widow stars of redback stars genoemd, genoemd naar twee soorten gevaarlijke (leven zuigende) spinnen.

Een artistieke impressie van een pulsar-syphonemateriaal weg van een begeleidende ster, wat leidt tot de vorming van een milliseconde pulsar. (Afbeelding: Copyright NASA / CXC / M.Weiss)

Waardoor straalt een pulsar?

Pulsars kunnen licht uitstralen in meerdere golflengten, van radiogolven tot gammastraling, de meest energetische vorm van licht in het universum.

Hoe stralen pulsars licht uit? Wetenschappers hebben nog geen gedetailleerd antwoord op die vraag, aldus Alice Harding, een astrofysicus bij het Goddard Space Flight Center van NASA in Greenbelt, Maryland, die gespecialiseerd is in pulsars. Bovendien hebben wetenschappers ontdekt dat verschillende mechanismen waarschijnlijk verantwoordelijk zijn voor het produceren van verschillende golflengten van licht uit het gebied boven het oppervlak van de pulsar, zei Harding. De vuurtorenachtige lichtstralen die wetenschappers in de jaren zestig voor het eerst zagen, bestaan ​​uit radiogolven. Deze lichtstralen zijn opmerkelijk omdat ze extreem helder en smal zijn en eigenschappen hebben die vergelijkbaar zijn met die van een laserstraal. Laserlicht is “coherent”, in tegenstelling tot niet-coherent licht dat wordt uitgestraald door bijvoorbeeld een gloeilamp. In een bundel van coherent licht marcheren de lichtdeeltjes in wezen stapsgewijs, waardoor een uniforme, gefocusseerde bundel ontstaat. Wanneer lichtdeeltjes op deze manier samenwerken, kunnen ze een lichtstraal produceren die exponentieel helderder is dan een diffuse lichtbron met dezelfde hoeveelheid stroom.

Wat voor wetenschappers duidelijk lijkt, is dat pulsar-emissies worden aangedreven door de rotatie en het magnetische veld van de pulsar, aldus Roger Romani, een professor in de natuurkunde aan de Stanford University die pulsars en andere compacte objecten bestudeert. De snelst draaiende pulsars hebben zwakkere magnetische velden dan langzamere draaiende pulsars, maar de toename van de rotatiesnelheid is nog steeds voldoende om ervoor te zorgen dat die snelle pulsars even heldere stralen uitstralen als die van langzamere pulsars, zei Romani.

Een artistieke impressie van magnetische veldlijnen die rond een pulsar lopen. De paarse gloed vertegenwoordigt gammastraal licht. De as van de rotatie van de pulsar wordt niet weergegeven en wordt niet uitgelijnd met de as van het magnetische veld. (Afbeelding: NASA)

De bovenstaande impressie van de kunstenaar geeft een idee van hoe de magnetische veldlijnen van een pulsar eromheen zullen lopen en op de twee polen aansluiten. In werkelijkheid, terwijl de pulsar draait, zwaait hij het magnetische veld ermee rond, waardoor een veel meer verward beeld ontstaat.

Een draaiend magnetisch veld wekt een elektrisch veld op, dat op zijn beurt ervoor kan zorgen dat geladen deeltjes bewegen (waardoor een elektrische stroom ontstaat). Het gebied boven het oppervlak van de pulsar dat wordt gedomineerd door het magnetische veld, wordt de magnetosfeer genoemd. In dit gebied worden geladen deeltjes zoals elektronen en protonen, of geladen atomen, door het zeer sterke elektrische veld versneld tot extreem hoge snelheden. Telkens wanneer geladen deeltjes worden versneld (wat betekent dat ze hun snelheid verhogen of van richting veranderen), stralen ze licht uit. Op aarde versnellen instrumenten, synchrotrons genaamd, deeltjes tot zeer hoge snelheden en gebruiken het licht dat ze uitstralen voor wetenschappelijke studies. In de magnetosfeer van de pulsar kan dit basisproces licht genereren in het optische en röntgenbereik.

Maar hoe zit het met de gammastraling die door een pulsar wordt uitgezonden? Waarnemingen tonen aan dat gammastraling wordt uitgezonden vanaf een andere locatie in de ruimte rond de pulsar dan de stralen van radiogolven en op een andere hoogte boven het oppervlak, zei Harding. En in plaats van in een smalle, potloodachtige straal, worden gammastralen in waaiervorm uitgezonden. Maar net als bij radiogolfemissies, debatteren wetenschappers nog steeds over het exacte mechanisme dat verantwoordelijk is voor het genereren van gammastraling uit een pulsar.

De zoektocht naar Pulsars

Wetenschappers ontdekten pulsars met behulp van radiotelescopen en radio blijft het belangrijkste middel om op deze objecten te jagen.

Omdat pulsars klein en zwak zijn in vergelijking met veel andere hemellichamen, vinden wetenschappers ze met behulp van all-sky-onderzoeken: een telescoop scant de hele hemel en na verloop van tijd kunnen wetenschappers zoeken naar objecten die in en uit het zicht flikkeren. De Parkes-radiotelescoop in Australië heeft de meeste bekende pulsars gevonden. Andere telescopen die een grote bijdrage hebben geleverd aan pulsar-zoekopdrachten zijn de Arecibo-radiotelescoop in Puerto Rico, de Green Bank-telescoop in West Virginia, de Molonglo-telescoop in Australië en de Jodrell Bank-telescoop in Engeland.

Duizenden nieuwe pulsars kunnen worden gedetecteerd door twee radiotelescooptelescopen die volgens de planning de komende vijf jaar gegevens gaan verzamelen, aldus Scott Ransom, een astronoom van het personeel van de National Radio Astronomy Observatory (NRAO) in Charlottesville, Virginia. De telescopen zijn China’s Five Hundred Meter Aperture Spherical Telescope (kortweg FAST), waarvoor de basisconstructie al in september 2016 kan worden voltooid, en de Square Kilometre Array (SKA), gefinancierd door een consortium van landen. De bouw van de SKA begint in 2018, met locaties in zowel Zuid-Afrika als Australië. De website van de organisatie zegt dat vroege wetenschappelijke waarnemingen in 2020 zouden kunnen beginnen, maar dat de reeks pas in 2030 de volledige wetenschappelijke operaties (beide faciliteiten) zou bereiken.

De in juni 2008 gelanceerde Fermi-gammastraalruimtetelescoop heeft 2.050 gammastraal-emitterende pulsars gedetecteerd, waaronder 93 gammastraal millisecondepulsars. Fermi is bijzonder nuttig omdat het de hele hemel scant, terwijl de meeste radio-onderzoeken meestal alleen delen van de lucht langs het vlak van de Melkweg scannen.

Een kaart van de hemel met gammastraalpulsars gedetecteerd met het LAT-instrument op de Fermi Gamma Ray-telescoop. Hierboven worden de gammastraalpulsars gedetecteerd met de LAT: CGRO PSR’s (plus), jonge radio-geselecteerde (cirkel), jonge gamma-geselecteerde (vierkant) en MSP’s (diamant). (Afbeelding: Fermi-LAT / GSFC)

Het detecteren van verschillende golflengten van licht van een pulsar kan moeilijk zijn. De straal van radiogolven van een pulsar is misschien erg krachtig, maar als hij niet over de aarde zwaait (en het gezichtsveld van een telescoop binnengaat), zien astronomen hem misschien niet. De gammastraling van een pulsar kan over een groter deel van de hemel waaien, maar kan ook zwakker en moeilijker te detecteren zijn.

Met ingang van 22 maart 2016 weten wetenschappers over 2.300 pulsars waarvoor alleen radiogolven zijn gedetecteerd en ongeveer 160 pulsars die gammastraling uitstralen. Wetenschappers kennen nu 240 milliseconde pulsars, waarvan er 60 gammastraling uitstralen, zei Ransom. Deze getallen veranderen regelmatig als er nieuwe pulsars worden ontdekt.

Wat voor nut hebben ze voor ons?

Pulsars zijn fantastische kosmische instrumenten voor wetenschappers om een ​​breed scala aan verschijnselen te bestuderen.

Het licht dat door een pulsar wordt uitgezonden, bevat informatie over deze objecten en wat er in hen gebeurt. Dat betekent dat pulsars wetenschappers informatie geven over de fysica van neutronensterren, het dichtste materiaal in het universum (met uitzondering van wat er ook gebeurt met materie in een zwart gat). Onder zulke ongelooflijke druk gedraagt ​​de materie zich op manieren die nog nooit eerder in een andere omgeving in het universum zijn gezien. De vreemde toestand van materie in neutronensterren is wat wetenschappers “nucleaire pasta” noemen: soms rangschikken de atomen zichzelf in platte vellen, zoals lasagne, of spiralen zoals fusilli, of kleine klompjes zoals gnocchi.

Sommige pulsars zijn ook buitengewoon nuttig vanwege de precisie van hun pulsen. Er zijn veel pulsars bekend die zo nauwkeurig knipperen; ze worden beschouwd als de meest nauwkeurige natuurlijke klokken in het universum. Daardoor kunnen wetenschappers letten op veranderingen in het knipperen van een pulsar die kunnen wijzen op iets dat in de nabije ruimte gebeurt.

Met deze methode begonnen wetenschappers de aanwezigheid van buitenaardse planeten te identificeren die rond deze dichte objecten draaiden. In feite draaide de eerste planeet buiten het zonnestelsel van de aarde ooit gevonden rond een pulsar.

Omdat pulsars door de ruimte bewegen en tegelijkertijd een regelmatig aantal keren per seconde knipperen, kunnen wetenschappers veel pulsars gebruiken om kosmische afstanden te berekenen. De veranderende positie van de pulsar betekent dat het licht dat het uitzendt meer of minder tijd nodig heeft om de aarde te bereiken. Dankzij de uitstekende timing van de pulsen hebben wetenschappers enkele van de meest nauwkeurige afstandsmetingen van kosmische objecten gemaakt.

Pulsars zijn gebruikt om aspecten van Albert Einsteins algemene relativiteitstheorie te testen, zoals de universele zwaartekracht.

De regelmatige timing van pulsars kan ook worden verstoord door zwaartekrachtgolven – de rimpelingen in de ruimtetijd die Einstein voorspelde en voor het eerst in februari 2016 direct werd gedetecteerd. Er zijn momenteel meerdere experimenten op zoek naar zwaartekrachtgolven via deze pulsar-methode.

Het gebruik van pulsars voor dit soort toepassingen hangt af van hoe vast ze zijn in hun rotatie (waardoor ze heel regelmatig knipperen), zei Ransom. Alle pulsars vertragen geleidelijk terwijl ze draaien; maar degenen die voor precisiemetingen worden gebruikt, vertragen ongelooflijk langzaam, dus wetenschappers kunnen ze nog steeds gebruiken als stabiele tijdregistratie-apparaten.

Deze afbeeldingen van de Krabpulsar, gemaakt door de Chandra X-ray Observatory gedurende meerdere maanden, tonen de helderwitte pulsar in het midden en spatten van materie die wegspuwen. (Afbeelding: NASA / CXC / ASU / J.Hester)

Pulsar-begraafplaatsen

Alle pulsars vertragen geleidelijk naarmate ze ouder worden. De straling die door een pulsar wordt uitgezonden, wordt gezamenlijk aangedreven door het magnetische veld en de spin. Als gevolg hiervan verliest een pulsar die vertraagt ​​ook vermogen en stopt hij geleidelijk met het uitzenden van straling (of stopt het tenminste met het uitzenden van voldoende straling die telescopen kunnen detecteren), zei Harding. Waarnemingen suggereren tot nu toe dat pulsars met gammastraling vóór radiogolven onder de detectiedrempel dalen. Wanneer pulsars deze levensfase bereiken, betreden ze wat bekend staat als het pulsar-kerkhof. (Pulsars die niet meer emitteren, kunnen door astronomen als gewone neutronensterren worden beschouwd).

Wanneer een pulsar ontstaat uit het wrak van een supernova, draait hij snel en straalt hij veel energie uit, zei Ransom. De goed bestudeerde Krabpulsar is een voorbeeld van zo’n jonge pulsar. Deze fase kan een paar honderdduizend jaar duren, waarna de pulsar begint te vertragen en alleen radiogolven uitzendt. Deze pulsars van “middelbare leeftijd” vormen waarschijnlijk het grootste deel van de populatie van pulsars waarvan is vastgesteld dat ze alleen radiogolven uitzenden, voegde hij eraan toe. Deze pulsars leven tientallen miljoenen jaren voordat ze uiteindelijk zoveel vertragen dat ze “sterven” en het pulsar-kerkhof binnengaan.

Maar als de pulsar in de buurt van een stellaire metgezel zit, kan hij worden ‘gerecycled’, wat betekent dat hij materiaal en energie van zijn buurman overhevelt, waardoor de spin tot honderden keren per seconde toeneemt – waardoor een pulsar van milliseconden ontstaat en de eens dode pulsar wordt gegeven nieuw leven. Deze verandering kan op elk moment in het leven van een pulsar plaatsvinden, wat betekent dat de rotatiesnelheid van een “stervende” pulsar honderden tot miljoenen jaren kan toenemen. De pulsar begint röntgenstralen uit te zenden en het paar objecten staat bekend als een ‘binaire röntgenstraal met een lage massa’, zei Ransom. (Deze kannibalistische pulsars worden “black widow” -pulsars of “redback” -pulsars genoemd, verwijzend naar twee soorten spin waarvan bekend is dat ze hun metgezellen doden). Milliseconde pulsars zijn de oudst bekende pulsars – sommige zijn miljarden jaren oud en zullen miljarden jaren blijven draaien aan die hoge tarieven.

Deel dit bericht:

Tags: , , , , , , , , , , , ,

nl_NLDutch
en_GBEnglish nl_NLDutch