Neutroncsillagok
A neutroncsillag egy nagy tömegű csillag "életének" végső stádiuma, miután az összeroppan a gravitációs erő miatt, s külső burkait szupernóva robbanás közben "lefújja" magáról.
A neutroncsillag onnan kapta a nevét, hogy a hatalmas mértékű összehúzódás során a protonok és elektronok neutronokká egyesülnek, így tulajdonképpen az egész csillag neutronokból áll.
A gravitációs kollapszus során az eredeti csillag perdülete megmarad, ám az égitest jóval kisebb sugara miatt a szögsebesség jelentősen megnő (1. ábra). (Pontosan úgy, ahogy a jégtáncos forgása is gyorsul, ha karjait közelebb húzza testéhez, vagyis az annak közepén lévő forgástengelyhez.) Ezért gyorsulnak fel hihetetlen forgási sebességre a neutroncsillagok. Az egykori csillag mágneses erőtere az összeomlás miatt kisebb felületre koncentrálódik: innen ered a neutroncsillagok mágneses terének óriási ereje.
1. ábra. Az impulzusmomentum megmaradása miatt gyorsabban forog a neutroncsillag.
2. ábra. A mágneses erővonalak kisebb felszínre koncentrálódnak, így nagyobb a mágneses mező erőssége.
Egy ilyen "csillagmaradvány" átmérője kb. 10 km, tömege kb. 1,4 naptömeg, sűrűsége kb. 1018 kg/m3 , ami 1015-szöröse a víz sűrűségének. Ez annyit jelent, hogy itt a Földön egy kiskanálnyi anyag 1 milliárd tonnát nyomna, ami kitesz egy hegységnyi tömeget. Igaz, kisebb sűrűség esetén ekkora forgási sebesség mellett a test nem tudna egyben maradni, hanem darabokra szakadna.
Pulzárok
1967-ben még a földönkívüliek üzenetének vélték a gyorsan, szabályosan lüktető rádiójeleket, amelyek az elsőként felfedezett pulzárról érkeztek felénk. Azóta több mint harminc év telt el, és már jóval többet tudunk a Világegyetem furcsa, de természetes eredetű rádióforrásairól, a pulzárokról.
A pulzárok tulajdonképpen nagyon gyorsan forgó neutroncsillagok. Felszínükön százmilliárdszor akkora a gravitációs gyorsulás, mint a Földön, ennek ellenére rendkívül gyorsan pörögnek. Akár 600 fordulatot is megtehetnek másodpercenként (milliszekundumos pulzárok), de általában folyamatosan lassulnak. A forgás közben - felszíni mágneses zavarok miatt - sugárzást bocsátanak ki, így - mivel a forgástengely és a mágneses tengely általában nem esik egybe - folyamatosan körbe-körbe pásztázzák az égboltot, hasonlóan egy tengert pásztázó világítótoronyhoz.
Az egyik legismertebb pulzár a Rák-pulzár, amelyet a szupernóva robbanással keletkezett Rák-ködben találhatunk meg. Ez nem véletlen: a pulzárok nagyrészt szupernóva robbanással megsemmisült csillagok maradványaként keletkeznek. A csillag anyagának nagy részét ledobja magáról, magja viszont összeroppan és kialakul a neutroncsillag. Ezt gondolta századunk végéig a legtöbb csillagász a rádiópulzárokról.
Miért gondoljuk azt, hogy a pulzárok tulajdonképpen neutroncsillagok?
Nagyon szabályos a pulzáció periódusa, amiből ésszerűen következik, hogy az objektum forog.
A periódus
hossza 4 s-tól 1,6 ms-ig (1.6*10-3 s) terjed. (A leggyorsabbakat
milliszekundumos pulzároknak nevezzük) A pulzár felszíne nem foroghat gyorsabban a
fény sebességénél.
Ebből adódik a következő levezetés:
2R < fénysebesség * periódusidő
R < (fénysebesség * periódusidő) / (2)
R < (3*108 m/s)*(1.6*10-3 s) / (2)
R <
8*104 m = 80 km
80 km-nél kisebb sugárral túl kicsi ahhoz,
hogy fehér törpe legyen.
A fekete lyukaknál nem igazán feltételezünk
felszínt, ami foroghat.
Miért észlelünk csak "villanásokat" egy pulzárból?
3. ábra. A forgástengely és a mágneses tengely nem esik egybe.
Ha a pulzár forgástengelye és mágneses tengelye nem esik egyvonalba, akkor a rajtuk lezajló gigantikus mágneses viharokból kitörő rádiósugárzás minden fordulat alkalmával egyszer végigsöpör az űrön, így néha a Földön is. (Hasonlóan a világítótoronyhoz, ami "végigpásztázza" a környéket.) Ezeket a rádiójeleket tudjuk mi is fogni, több millió fényévnyi távolságból is.
A pulzár a rádiósugárzás hatására veszít energiájából, így forgási sebességéből is. Ezt precíz műszerekkel ki is lehet mutatni.
Milliszekundumos pulzárok
Az utóbbi időben született egy-két új feltételezés a pulzárok eredetét illetően. 1982-ben Donald C. Backer és munkatársai a Kaliforniai Egyetemen felfedezték az 1937+214 névre keresztelt rádiópulzárt. A furcsa az egészben az volt, hogy ennek a neutroncsillagnak a periódus-ideje mindössze 1.558 ezredmásodperc. Tudták, hogy a pulzárok rendkívül gyorsan forognak, de ilyen iszonyatosan sebesen pörgő pulzárt még soha nem láttak. Később felfedeztek egy 6.13 ezredmásodperc (1953+29) és egy 5.362 ezredmásodperc (1855+09) periódusú pulzárt is. Nyilvánvalóvá vált: ki kell bővíteni a pulzárok osztályát, létezik egy milliszekundumos periódusidejű csoport is. A különböző mérések alapos analizálása után azt találták, hogy ezek a szupergyors pulzárok folyamatosan tartják a sebességüket, szinte nem is lassulnak. A múltban pedig nem nagyon lassulhattak, hiszen ha csak nagyjából kétszer gyorsabban forogtak volna valamikor, akkor darabokra tépte volna őket a centrifugális erő. Ha viszont egy pulzár nem lassul számottevő mértékben, akkor nem lehet rajta erős mágneses erőtér, hiszen ennek kisugárzása folyamatosan csökkentené a mozgási energiáját. Ezért a milliszekundumos rádiópulzároknak nem szabadott szupernóvarobbanással keletkezniük, mert ilyen körülmények között 100 millió Kelvinnél nagyobb hőmérsékletek mellett igen jelentős mágneses erőtér alakul ki. Úgy tűnt, vonták le a kutatók a következtetést, a milliszekundumos pulzároknak "hideg" körülmények között kellett keletkezniük.
A megoldás hamar megszületett: ezek a pulzárok
valamikor valódi pulzárok voltak, vagy pedig fehér törpék, de mindenképpen egy
kettős rendszer tagjai. A valódi pulzár több évmilliárdnyi működés után
kikapcsolt, halott pulzárrá változott. Így alakult ki felszínén a gyenge mágneses
erőtér. Ekkor fokozatosan kezdte a kettős rendszer másik tagjának (egy normális
csillagnak) anyagát elszívni, és ez a felszínére áramló anyagkorong gyorsította
fel őrült sebességre. A másik esetben a fehér törpe elszívta társa anyagát,
ezért elkezdett gyorsabban forogni, majd egy gravitációs összeomlás következtében a
kis sebesség iszonyatosan felerősödött. Mindkét esetben kicsi a mágneses
kisugárzás, így a pulzár hosszú időn, évmilliárdokon át képes tartani a
sebességét. A társcsillagból a neutroncsillag felszínére áramló óriási
mennyiségű plazma először a neutroncsillag körül egy akkréciós anyagkorongban kezd
el keringeni, ezáltal jelentősen felgyorsítja a neutroncsillagot. Minél közelebb
kerül ez a plazma a felszínhez, annál nagyobb sebességűre pörgeti fel a pulzárt.
Ahhoz, hogy a plazma szinte a felszín felett
áramoljon és így képes legyen milliszekundumos periódusidejűre felgyorsítani a
neutroncsillagot, szükség van arra, hogy a neutroncsillag magnetoszférája gyenge
legyen, és ne tudja messzire eltolni magától a plazmát. A gyenge magnetoszféra
következménye a gyenge rádiójel kibocsátás, ezért kicsi az esély arra, hogy az
ilyen égitesteket észre tudjuk venni. Azonban helyenként a plazma átszakítja a
magnetoszférát és a felszínbe csapódik. Így másodpercenként körülbelül
egytrillió tonna plazma csapódik neki a felszínnek és óriási hatásfokú, hatalmas
termonukleáris robbanások közepette a plazma anyagának 20 %-a energiává alakul. Ezt
az energiát a pulzár a röntgentartományban sugározza szét. Ezért várják a
csillagászok, hogy a gyorsan forgó, kis tömegű, öreg kettősök röntgensugárzó
források legyenek. Ez volt az elmélet, ám a gyakorlatban az elképzelést sokáig nem
sikerült igazolni.
4. ábra A tárcsillagról "begyűjtött" anyag felgyorsítja a pulzárt.
