Pulsary odkrywają przed nami wnętrze gromady kulistej Terzan 5

Zdjęcie przedstawia położenie pulsarów milisekundowych w gromadzie kulistej Terzan 5 na zdjęciu wykonanym za pomocą Kosmicznego Teleskopu Hubble’a w zakresie widzialnym. Pulsary zaznaczone na niebiesko przyspieszają w kierunku obserwatora znajdującego się na Ziemi, a na czerwono oddalają się od niego.Te względne przyspieszenia zostały oszacowane na podstawie pomiarów niewielkich zmian prędkości rotacji pulsarów. Źródło: B. Saxton (NRAO/AUI/NSF); GBO/AUI/NSF; NASA/ESA Hubble, F. Ferraro

Droga Mleczna jest pełna gromad gwiazd. Niektóre z nich zawierają zaledwie po kilkadziesiąt-kilkaset młodych gwiazd, inne – znane jako gromady kuliste – to z kolei jedne z najstarszych obiektów we Wszechświecie składających się nawet z miliona bardzo sędziwych gwiazd.

Niektóre gromady kuliste uważane są za fragmenty naszej galaktyki, oderwane od niej w bardzo wczesnej młodości Drogi Mlecznej. Inne z kolei mogły powstać jako samodzielne galaktyki karłowate, które z czasem zostały przechwycone przez tworzącą się Drogę Mleczną.

Niezależnie od pochodzenia, wiele gromad kulistych znajduje się wewnątrz lub na zewnątrz pyłowych regionów naszej galaktyki. To z kolei stanowi duże wyzwanie dla wielu teleskopów naziemnych i kosmicznych obserwujących niebo w zakresie widzialnym. Choć możliwe jest obserwowanie gromady jako całości, to pył skutecznie utrudnia astronomom badanie ruchu pojedynczych gwiazd w takiej gromadzie. Gdyby astronomowie mieli możliwość śledzenia ruchu pojedynczych gwiazd, mogliby badać jej grudkowatość oraz mogliby sprawdzić czy zawiera ona bardzo gęste obiekty takie jak gigantyczne czarne dziury.

Na szczęście fale radiowe – takie jak te emitowane przez pulsary – nie robią sobie nic z pyłu galaktycznego. Zatem zamiast śledzić ruch gwiazd, astronomowie powinni być w stanie stworzyć mapę ruchu pulsarów. Oczywiście nigdy nie jest tak łatwo. Choć gromady kuliste pełne są gwiazd, to jednak zawierają znacznie mniej pulsarów.

„To właśnie dlatego Terzan 5 jest tak ważnym obiektem badań; znajduje się w nim nadzwyczaj duża liczba pulsarów – jak dotąd odkryto w niej 37 takich obiektów, choć tylko 36 wykorzystano w opisywanych badaniach”, mówi Brian Prager, doktorant na Uniwersytecie Wirginii w Charlottesville i główny autor artykułu, który ukazał się w periodyku Astrophysical Journal„Im więcej pulsarów zaobserwujemy, tym pełniejszy będzie nasz zestaw danych, a tym samym będziemy w stanie poznać więcej szczegółów wnętrza gromady”.

Gromada kulista Terzan 5 oddalona jest od Ziemi o jakieś 19 000 lat świetlnych i znajduje się tuż za centralnym zgrubieniem naszej galaktyki.

Do swoich badań astronomowie wykorzystani Green Bank Telescope (GBT) w Wirginii Zachodniej. GBT jest bardzo skuteczny w zakresie wykrywania i obserwowania pulsarów, charakteryzuje się wyjątkowo czułymi komponentami elektronicznymi, z których część została zoptymalizowana pod kątem poszukiwania pulsarów, oraz 100-metrową czaszą – największą na jakimkolwiek w pełni sterowanym radioteleskopie.

Pulsary to gwiazdy neutronowe – nieprawdopodobnie gęste pozostałości po supernowych – które ze swoich biegunów magnetycznych emitują strumienie fal radiowych. Gdy pulsar rotuje, jego strumienie promieniowania radiowego omiatają przestrzeń kosmiczną niczym światło kosmicznych latarni morskich. Jeżeli taki promień na swojej drodze napotka Ziemię, astronomowie znajdujący się na niej mogą obserwować wyjątkowo równe impulsy promieniowania.

Gdy pulsary wewnątrz Terzan 5 poruszają się względem Ziemi – przyciągane w różnych kierunkach przez zróżnicowaną gęstość gromady – do gry wkracza efekt dopplerowski. Ów efekt odpowiada za mikroskopijne opóźnienia błysków gdy pulsar oddala się od Ziemi oraz mikroskopijne przyspieszenia rzędu ułamka milisekundy, jeżeli zbliża się do niej.

W przypadku Terzan 5 astronomów szczególnie interesują tzw. pulsary milisekundowe. Owe pulsary rotują w tempie kilkuset obrotów na sekundę z regularnością, która może się równać precyzji zegarów atomowych na Ziemi.

Pulsary osiągają swoje tempo rotacji poprzez ściąganie materii z pobliskich gwiezdnych towarzyszy. Materia opadająca ku pulsarowi uderza w krawędź gwiazdy neutronowej pod kątem, zwiększając jej tempo rotacji w ten sam sposób, w który wirująca na palcu piłka do koszykówki może być przyspieszona przez uderzenie jej krawędzi.

Pulsary milisekundowe są szczególnie interesujące dla astronomów ponieważ pozwalają nam wykryć infinitezymalnie małe zmiany odstępów między kolejnymi impulsami.

„Pulsary to nieprawdopodobnie precyzyjne zegary kosmiczne”, mówi Scott Ranson, asrtonom z National Radio Astronomy Observatory (NRAO) w Charlottesville, współautor artykułu. „Dzięki GBT nasz zespół był w stanie praktycznie zmierzyć jak każdy z tych zegarów przemieszcza się w przestrzeni w kierunku regionów o wyższej masie. Gdy zbierzemy już takie informacje,  możemy na ich podstawie stworzyć bardzo precyzyjną mapę gęstości gromady, która pozwoli nam dostrzec gdzie naprawdę znajduje się najwięcej masy wewnątrz gromady”.

Wcześniej astronomowie uważali, że Terzan 5 może być albo zniekształconą galaktyką karłowatą przyciągniętą przez Drogę Mleczną lub fragmentem zgrubienia centralnego naszej galaktyki. Gdyby to faktycznie była przechwycona galaktyka karłowata, mogłaby w swoim wnętrzu mieć centralną supermasywną czarną dziurę. 

Nowe dane zebrane za pomocą GBT nie wskazują jednak na to, aby we wnętrzu tej gromady znajdowała się centralna czarna dziura. „Jednak jak na razie nie możemy z całą pewnością powiedzieć, że nie ma tam czarnej dziury o masie pośredniej. Nowe obserwacje dostarczają nowych, lepszych dowodów na to, że Terzan 5 jest prawdziwą gromadą kulistą, która powstała w Drodze Mlecznej, a nie jest pozostałością po galaktyce karłowatej”, dodaje Ransom.

Źródło: GBO