Púlsar

Ilustración do efecto de "faro" producido por un púlsar

Os púlsares son estrelas de neutróns que, en virtude do seu intenso campo magnético (da orde de 10⁸ T), transforman a enerxí­a rotacional en enerxía electromagnética. A medida que o púlsar xira, o seu intenso campo magnético induce un enorme campo eléctrico na súa superficie. Este campo eléctrico é suficiente para arrancar partículas cargadas da superficie, na súa maioría electróns, queá súa vez flúen cara á magnetosfera onde son acelerados. Estes electróns acelerados emiten radiación síncrotron nun feixe estreito ao longo das liñas do campo magnético. Se ao xirar, o eixe do campo magnético ficar na nosa liña de visión, veremos un pulso de radiación electromagnética (como a luz dun faro xirante).

Esquema dun púlsar, presentando as liñas de campo magnético e o feixe de radiación escapando polos polos magnéticos

Historia

A existencia de estrelas de neutróns foi primeiramente proposta por Walter Baade e Fritz Zwicky en 1934, cando argumentaron que unha pequena e densa estrela consistindo primariamente en neutróns resultaría nunha supernova. En 1967, pouco antes do descubrimento dos púlsares, o astrónomo italiano Franco Pacini suxeriu que unha estrela de neutróns en rotación cun campo magnético, emitiría radiación e notou que tal enerxía podería adentrar os remanescentes de supernova que se atopan ao redor dunha estrela de neutróns, como a Nebulosa do Cangrexo.

En xullo de 1967, comezara a funcionar un gran radiotelescopio desenvolvido por Antony Hewish en Cambridge composto por 2048 dispositivos de recepción separados, espallados por unha área de 18 000 m². Estaba destinado a estudar as cintilacións de fontes de radio localizadas no espazo. Esas cintilacións son causadas polas flutuacións na densidade do plasma interplanetario.

Jocelyn Bell Burnell, unha estudante de posgraduado, responsábel da análise preliminar dos datos, notou un sinal estraño que desapareceu subitamente, vindo a reaparecer tres meses despois. O grupo de Hewish concentrouse nese estraño sinal, localizado entre as estrelas Vega e Altair, e descubriu que os pulsos de radio ocorrían nunha taxa extremamente regular, a cada 1,33730113 s e cunha duración de 0,05 s.

Porén, non só demoraron meses en se convencer da autenticidade do sinal, senón que cando foi anunciado, foi seriamente discutida a hipótese de se tratar de sinais dunha civilización extraterrestre. Na verdade, antes que a palabra púlsar pasase a ser utilizada eles referíanse ao fenómeno como LGM (sigla en inglés de little green men, homiños verdes).

Posteriormente, o grupo descubriu tres obxectos máis emitindo pulsos de radio con taxas distintas e concluíron que se trataba de obxectos de orixe natural.

Como a fonte emisora parecía orixinarse nun punto no espazo, Hewish pensou que podería representar algún tipo de estrela, unha estrela pulsante (do inglés pulsating star); o nome foi entón abreviado a púlsar.

Após o descubrimento do primeiro púlsar, Thomas Gold suxeriu un modelo dunha estrela de neutróns en rotación similar ao de Pacini e argumentou que ese modelo podería explicar a radiación pulsante observada por Bell Burnell e Hewish. O descubrimento do púlsar da Nebulosa do Cangrexo en 1968 confirmou ese modelo de representación dos púlsares. O púlsar do Cangrexo ten unha pulsación de período igual a 33 milisegundos, pequeno de máis para ser consistente con outros modelos propostos para a emisión do púlsar. Alén diso, a súa localización no centro da Nebulosa do Cangrexo é consistente coa previsión de Baade e Zwicky en 1933.

En 1974, Antony Hewish e Martin Ryle convertéronse nos primeiros astrónomos que gañaron o Premio Nobel de Física, coa Academia das Ciencias de Suecia notando que Hewish tivo "papel decisivo no descubrimento de púlsares". Existe certa controversia asociada ao feito de Hewish ter gañado o premio mentres que a participación de Bell Burnell non foi considerada.

Nomenclatura

Inicialmente os púlsares nomeábanse coas iniciais do observatorio responsábel do descubrimento seguidas pola súa ascensión recta. Segundo se foron descubrindo máis púlsares, esa convención tornouse insuficiente, sendo seguida polo uso das letras PSR (sigla en inglés de Pulsating Source of Radio, Fonte de Radio Pulsante) seguidas pola ascensión recta e os graos do arco de declinación. Púlsares moi próximos poden ter letras a maiores.

A convención moderna prefixa números antigos cun B, significando que as coordenadas pertencen á época de 1950. Os púlsares descubertos máis recentemente teñen un J, que indica que as coordenadas son de 2000, e unha declinación que inclúe os minutos. A pesar das mudanzas, os púlsares descubertos antes de 1993 manteñen a convención da letra B en lugar de teren nomes con J. Porén, todos os púlsares posúen un nome con J que fornece coordenadas máis precisas das súas posicións no ceo.

Formación

Visión esquemática dun púlsar. A esfera no centro representa a estrela de neutróns, as liñas curvadas indican as liñas do campo magnético, os conos azuis indican as zonas de emisión de luz e a recta verde representa o eixe de rotación da estrela

Os eventos que levan á formación dun púlsar comezan cando o núcleo dunha estrela masiva se comprime durante unha supernova, formando unha estrela de neutróns. A estrela de neutróns mantén gran parte do momento angular orixinal e, unha vez que posúe un raio moi menor que a súa proxenitora, fórmase cunha alta velocidade de rotación. Un feixe de radiación é emitido xunto ao eixe magnético do púlsar, que xira conforme á rotación da estrela de neutróns. O eixe magnético do púlsar determina a dirección do feixe eletromagnético e non é necesariamente idéntica ao eixe de rotación da estrela. Iso fai que o feixe sexa visíbel unha vez por cada rotación da estrela de neutróns, levando á natureza "pulsante" da súa aparencia.

Nos púlsares alimentados por rotación, o feixe orixínase da enerxía rotacional da estrela de neutróns, que xera un campo eléctrico a partir do movemento dun forte campo magnético, resultando na aceleración de protóns e electróns na superficie da estrela e na emisión dun feixe electromagnético emanando dos polos do campo magnético. Esa rotación diminúe ao longo do tempo, a medida que se emite a enerxía electromagnética. Cando o xiro dun púlsar diminúe suficientemente, o mecanismo de emisión de radiación desconéctase. Ese desligamento parece ocorrer aproximadamente após 10 a 100 millóns de anos, o que significa que, de todas as estrelas de neutróns nacidas nos 13,6 mil millóns de anos do universo, preto do 99 % pararon de pulsar.

O Púlsar do Cangrexo. Esta imaxe combina información óptica recollida polo Hubble (en vermello) e imaxes por raios X do Chandra (en azul)

Púlsares notábeis

• PSR 1919+21
• PSR 1913+16: primeiro púlsar binario descuberto
• PSR B1937+21
• Cen X-3: primeiro púlsar de raios X descuberto
• SAX J1808.4-3658
• PSR B1257+12: primeiro púlsar con planeta descuberto
• PSR J0737−3039
• SGR 1806-20
• PSR J1748-2446ad: púlsar con rotación máis rápida
• LGM-1: primeiro radio-púlsar recoñecido
• PSR J0108-1431: púlsar máis próximo á Terra
• SWIFT J1756.9-2508
• PSR B1509-58

Ví­deo do Púlsar de Vela de raios X

Categorías

Hoxe coñécense tres clases distintas de púlsares, diferenciadas pola fonte da forza da radiación electromagnética:

• Púlsares potencializados por rotación, en que a perda de enerxía rotacional da estrela fornece a potencia
• Púlsares potencializados por acreción, onde a enerxía potencial gravitatoria de materia acrecida é a fonte de potencia (producindo raios X observábeis dende a Terra
• Magnetares, nos cales o decaemento dun campo magnético extremamente forte fornece o poder electromagnético

A pesar de todos os tres tipos seren estrelas de neutróns, os seus comportamentos e os procesos físicos que os causan son distintos. Non obstante, eses tipos están conectados, cos púlsares de raios X sendo moi probabelmente antigos púlsares de rotación que perderon gran parte do seu poder, visíbeis soamente debido ao feito de que as súas respectivas estrelas binarias se expandiron e trasladaron materia para a estrela de neutróns. Ese proceso de acreción pode trasladar momento angular suficiente para resumir o movemento de rotación na estrela, coa materia acrecida diminuíndo a forza magnético do púlsar de 1000 a 10 000 veces do normal. Ese campo magnético enfraquecido é menos eficiente en diminuír a velocidade de rotación dos púlsares, permitindo que permanezan activos por miles de millóns de anos e sexan os máis antigos púlsares coñecidos.

Aplicacións

O descubrimento dos pulsares permitiu aos astrónomo o estudo dun obxecto nunca antes observado: a estrela de neutróns. Ese tipo de obxecto é o único lugar en que pode observarse o comportamento da materia nunha densidade nuclear (a pínda que non directamente). Alén diso, púlsares con duración de milissegundos permitiron o estudo da relatividade xeral en condicións de intenso campo gravitatorio.

Mapas

Incluíronse mapas de púlsares nas dúas placas Pioneer así como no Disco de ouro das Voyager. Estes mostran a posición do Sol, relativa a catorce púlsares, que son identificados polos períodos únicos dos seus pulsos electromagnéticos, de xeito que permita o cálculo da nosa posición tanto no tempo como no espazo por potenciais seres extraterrestres. Debido á emisión regular de pulsos de ondas de radio polos púlsares, as súas transmisións non requiren correccións diarias. Alén diso, a posición dos púlsares podería crear un sistema de navegación espacial independente ou usarse en conxunto coa navegación por satélite.

Reloxos precisos

Xeralmente, a regularidade da emisión dun púlsar non se compara á estabilidade dos reloxos atómicos. Porén, para algúns púlsares de milisegundos, a regularidade da pulsación é aínda máis precisa que a deses reloxos. Esa estabilidade permite que se empreguen púlsares de milisegundos para o establecemento do tempo de efemérides ou na construción de reloxos púlsares.

Sondas do medio interestelar

A radiación dos pulsares pasa polo medio interestelar antes de alcanzar a Terra. Os electróns libres existentes no compoñente ionizado e quente (8000 K) dese medio e nas rexións H II, afectan a radiación de dúas maneiras. As mudanzas resultantes na radiación do púlsar son unha importante sonda do medio interestelar en si.

Debido á natureza dispersiva do plasma interestelar, as ondas de radio de baixa frecuencia móvense por ese medio máis lentamente que as ondas de alta frecuencia. O atraso resultante na chegada dos pulsos nunha faixa de frecuencia, é directamente mensurábel como a medida de dispersión do púlsar. A medida de dispersión é a densidade da columna total de electróns libres entre o observador e o púlsar,

$DM=\int _{0}^{D}n_{e}(s)ds$

Onde $D$ é a distancia do púlsar até o observador e $n_{e}$ é a densidade electrónica do medio interestelar. A medida da dispersióne emprégase na construción de modelos da distribución de electróns libres na Vía Láctea.

Alén diso, a turbulencia no gas interestelar causa inhomoxeneidades na densidade no medio interestelar, que fai que as ondas de radio dos púlsares sufran espallamento. A cintilación resultante nas ondas de radio (o mesmo efecto da cintilação no brillo dunha estrela debido á variación na densidade da atmosfera terrestre), pode usarse para reconstruír información sobre as variacións a pequena escala do medio interestelar. Debido á alta velocidade (de até centenares de km/h) de moitos púlsares, un único púlsar varre o medio interestelar rapidamente, resultando na mudanza nos padróns de cintilación ao longo de poucos minutos.

Sondas do espazo-tempo

Púlsares orbitando ao longo do espazo-tempo curvado ao redor de Sagittarius A*, o buraco negro supermasivo no centro da Vía Láctea, poderían servir para examinar a gravidade naquel ambiente de intenso campo gravitacional. Os tempos de chegada dos pulsos veríanse afectados polo efecto Doppler, conforme á relatividade xeral e especial e polos camiños complicados que as ondas de radio percorrerían no espazo-tempo fortemente curvado ao redor do buraco negro. Para que os efectos da relatividade xeral sexan mensurábeis coa tecnoloxí­a actual, precisaríase descubrir púlsares con períodos orbitais menores de 10 anos e eses púlsares orbitarían a unha distancia de preto de 0,01 pc do buraco negro.

Véxase tamén

Bibliografía

• Lorimer, Duncan R.; Kramer, Michael (2004). Handbook of Pulsar Astronomy. Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-82823-9. 
• Lorimer, Duncan R. (2008). "Binary and Millisecond Pulsars". Living Reviews in Relativity 11 (1): 8. Bibcode:2008LRR....11....8L. PMC 5256074. PMID 28179824. arXiv:0811.0762. doi:10.12942/lrr-2008-8. Arquivado dende o orixinal o 2012-03-15. Consultado o 2011-12-14. 
• Lyne; Graham-Smith, Francis (1998). Pulsar Astronomy. Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-59413-4. 
• Manchester, Richard N.; Taylor, Joseph H. (1977). Pulsars. W. H. Freeman and Company. ISBN 978-0-7167-0358-7. 
• Stairs, Ingrid H (2003). "Testing General Relativity with Pulsar Timing". Living Reviews in Relativity 6 (1): 5. Bibcode:2003LRR.....6....5S. PMC 5253800. PMID 28163640. arXiv:astro-ph/0307536. doi:10.12942/lrr-2003-5. 

Ligazóns externas

• "Pinning Down a Pulsar’s Age". Science News.
• "Astronomical whirling dervishes hide their age well Arquivado 15 de febreiro de 2013 en Wayback Machine.". Astronomy Now.
• Animation of a Pulsar. Einstein.com, 17 de xaneiro de 2008.
• "The Discovery of Pulsars". BBC, 23 de decembro de 2002.
• "A Pulsar Discovery: First Optical Pulsar Arquivado 03 de outubro de 2007 en Wayback Machine.". Moments of Discovery, American Institute of Physics, 2007 (Includes audio and teachers guides).
• Discovery of Pulsars: Interview with Jocelyn Bell Burnell. Jodcast, xuño de 2007 (Low Quality Version).
• Audio: Cain/Gay – Astronomy Cast. Pulsars – novembro de 2009
• Australia National Telescope Facility: Pulsar Catalogue
• Johnston, William Robert. "List of Pulsars in Binary Systems". Johnston Archive, 22 de marzo de 2005.
• Staff Writers. "Scientists Can Predict Pulsar Starquakes". Space Daily, 7 de xuño de 2006.
• Staff Writers. "XMM-Newton Makes New Discoveries About Old Pulsars". Space Daily, 27 de xullo de 2006.
• Than, Ker. "Hot New Idea: How Dead Stars Go Cold". Space.com, 27 de xullo de 2006.
• "New Kind of Pulsar Discovered" Arquivado 21 de outubro de 2008 en Wayback Machine.. Cosmos Online.
• "Astronomers discover the first white dwarf pulsar in history". zmescience.com.