Pulsar: wat is het? Uitleg en eigenschappen van neutronensterren

Pulsar uitgelegd: wat zijn neutronensterren, hoe ontstaan hun regelmatige pulsen, vuurtoreneffect, rotatie-eigenschappen en hun rol in de moderne astronomie.

Pulsars zijn neutronensterren die snel ronddraaien en langs een smalle straal enorme elektromagnetische straling produceren. Neutronensterren zijn zeer dicht, en hebben korte, regelmatige rotaties. Hierdoor ontstaat een zeer precies interval tussen de pulsen, dat voor een individuele pulsar varieert van ruwweg milliseconden tot seconden. De puls is alleen te zien als de aarde dicht genoeg bij de richting van de straal staat. Net zoals je een vuurtoren alleen kunt zien als de straal in jouw richting schijnt.

De pulsen komen overeen met de draaiing van de ster. Het draaien veroorzaakt een vuurtoreneffect, omdat de straling slechts met korte tussenpozen te zien is. Werner Becker van het Max Planck Instituut voor Buitenaardse Fysica zei onlangs dat pulsars tot de meest precieze natuurlijke klokken in het heelal behoren en daarom zeer waardevol zijn voor het testen van natuurkundige theorieën en voor nauwkeurige astrometrische metingen.

Ontstaan van pulsars

Pulsars ontstaan wanneer zeer zware sterren (meer dan ongeveer 8 keer de massa van de zon) hun kernreacties stoppen en als supernova exploderen. De buitenlagen worden weggeblazen, terwijl de kern instort tot een extreem compact object: een neutronenster. Die ineenstorting conserveert impuls (rotatie) en magnetisch veld, waardoor de overgebleven ster zeer snel gaat ronddraaien en een sterk magnetisch veld heeft — ideale voorwaarden voor het optreden van pulsvorming.

Soorten pulsars

• Radio-pulsars: produceren sterke radiopulsen en zijn de klassiek ontdekte type.
• Milliseconde-pulsars: draaien extreem snel (perioden van ~1–10 ms). Vaak zijn het oudere neutronensterren die door materie-overdracht van een begeleider versneld zijn (recycled).
• Magnetars: hebben uitzonderlijk sterke magnetische velden (10^14–10^15 Gauss) en vertonen vaak röntgen- en gammastralingsuitbarstingen; sommige tonen pulserende signalen maar vallen in een aparte categorie door hun energetische gedrag.
• Binairen: pulsars met een begeleidende ster (witte dwerg, neutronenster of gewone ster). Deze systemen zijn belangrijk voor het testen van de algemene relativiteitstheorie.

Hoe ontstaat de straling?

Rond een snel roterende neutronenster bestaan zeer sterke elektrische en magnetische velden. De combinatie van rotatie en magnetisch veld versnelt geladen deeltjes tot bijna lichtsnelheid. Deze deeltjes stralen energie uit via mechanismen als curvature radiation (deeltjes die langs gebogen magnetische veldlijnen bewegen), synchrotronstraling en inverse Compton-verstrooiing. De stralingsbundel is vaak sterk gericht langs de magnetische polen, waardoor alleen waarnemers die in de baan van die bundel liggen de periodieke pulsen zien.

Tijdigheid en meetwaarden

Pulsars leveren uitzonderlijk stabiele pulsen; sommige milliseconde-pulsars zijn stabieler dan atoomklokken op lange tijdschalen. Belangrijke meetwaarden zijn de rotatieperiode P en de verandering daarvan in de tijd, Ṗ (P-dot). Uit P en Ṗ kun je afleiden:

• Kenmerkende leeftijd (een ruwe schatting van de leeftijd):
  τ ≈ P / (2 Ṗ)
• Oppervlakte-magnetisch veld (geschatte waarde in Gauss):
  B ≈ 3.2 × 10^19 √(P Ṗ)

Deze formules geven orde-van-grootte schattingen; de werkelijke leeftijd en het veld hangen af van de beginvoorwaarden en het dichtheidsprofiel van de ster.

Spin-down en glitches

Pulsars verliezen geleidelijk hun rotatie-energie (spin-down) door elektromagnetische straling en wind van deeltjes. Dit leidt tot een toename van de rotatieperiode. Af en toe treedt een glitch op: een plotselinge versnelde rotatie waarbij de periode korter wordt. Glitches worden gezien als interne herverdelingen van impulsmoment (bijvoorbeeld in de neutronen-supervloeibare kern of door interacties tussen korst en binnenste lagen) en geven inzicht in de interne structuur van neutronensterren.

Toepassingen in de astronomie en natuurkunde

• Testen van algemene relativiteit: binare pulsars tonen effecten als periastron-vooruitgang en gravitationele afname van energie door zwaartekrachtsgolven (Hulse–Taylor-pulsar is een klassiek voorbeeld).
• Pulsar Timing Arrays: netwerken van milliseconde-pulsars worden gebruikt om laagfrequente zwaartekrachtsgolven uit superzware zwarte-gatensystemen te zoeken.
• Astronavigatie: vanwege hun regelmatige pulsen kunnen pulsars dienen als natuurlijke kosmische klokken voor navigatie van ruimtevaartuigen.
• Inzicht in compacte materie: pulsars bieden unieke informatie over materie bij extreem hoge dichtheden en de fysica van neutronenrich materiaal.

Detectie en waarneming

De meeste pulsars zijn ontdekt via radiotelescopen, maar er bestaan ook pulsars zichtbaar in röntgen- en gamma-gebieden. Door de pulsen nauwkeurige tijden toe te schrijven (timing) kunnen astronomen banen, massa's en kleine variaties in rotatie meten. Moderne zoekprojecten en sky-surveys vinden jaarlijks nieuwe pulsars, inclusief exotische systemen zoals dubbel-neutronensterren en snel roterende milliseconde-pulsars.

Bekende voorbeelden

• Crab-pulsar (PSR B0531+21) in de Krabnevel: jonge, snel roterende pulsar zichtbaar in radio, optisch, röntgen en gamma.
• Vela-pulsar: relatief jong en helder in meerdere golflengten; toont regelmatige glitches.
• PSR B1913+16 (Hulse–Taylor): de eerste binaire pulsar die indirect bewijs voor zwaartekrachtsgolven leverde.

Samenvatting

Pulsars zijn snel draaiende neutronensterren met sterk gerichte stralingsbundels die periodieke pulsen produceren. Hun precisie en extreme fysische omstandigheden maken ze tot krachtige gereedschappen voor astronomie en fundamenteel natuurkundig onderzoek. Door rotatieperioden en veranderingen daarin te meten, leren we over de levensloop van compacte sterren, de structuur van materie bij hoge dichtheid en de werking van de zwaartekracht onder extreme omstandigheden.

Ontdekking

De eerste pulsar werd ontdekt in 1967. Hij werd ontdekt door Jocelyn Bell Burnell en Antony Hewish. Zij werkten aan de Universiteit van Cambridge. De waargenomen emissie had pulsen die 1,33 seconden van elkaar verwijderd waren. De pulsen kwamen allemaal van dezelfde plaats aan de hemel. De bron hield zich aan de sterrentijd. Aanvankelijk begreep men niet waarom pulsars een regelmatige verandering in de sterkte van de straling hebben. Het woord pulsar is een afkorting voor "pulserende ster".

Deze oorspronkelijke pulsar, die nu CP 1919 wordt genoemd, produceert radiogolflengten, maar later is ontdekt dat pulsars straling produceren in de röntgen- en/of gammastraalgolflengten.

Nobelprijzen

In 1974 werd Antony Hewish de eerste astronoom aan wie de Nobelprijs voor natuurkunde werd toegekend. Er ontstond onenigheid omdat hij de prijs kreeg en Bell niet. Zij had de eerste ontdekking gedaan terwijl zij zijn doctorandus was. Bell zegt niet verbitterd te zijn over dit punt en steunt de beslissing van het Nobelprijscomité. "Sommige mensen noemen het de No-Bell prijs omdat ze zo sterk vinden dat Jocelyn Bell Burnell in de prijs had moeten delen".

In 1974 ontdekten Joseph Hooton Taylor Jr. en Russell Hulse voor het eerst een pulsar in een binair systeem. Deze pulsar draait om een andere neutronenster met een omlooptijd van slechts acht uur. Einsteins algemene relativiteitstheorie voorspelt dat dit systeem sterke zwaartekrachtstraling zou moeten uitzenden, waardoor de baan voortdurend zou inkrimpen naarmate hij baanenergie verliest. Waarnemingen van de pulsar bevestigden al snel deze voorspelling en leverden het allereerste bewijs voor het bestaan van gravitatiegolven. Sinds 2010 zijn de waarnemingen van deze pulsar nog steeds in overeenstemming met de algemene relativiteit. In 1993 werd de Nobelprijs voor natuurkunde toegekend aan Taylor en Hulse voor de ontdekking van deze pulsar.

Jocelyn Bell Burnell's grafiek

Zoek op letter