Pulsary należą do najbardziej ekstremalnych obiektów we wszechświecie. Te niezwykle gęste pozostałości po masywnych gwiazdach to szybko wirujące gwiazdy neutronowe, które emitują wiązki fal radiowych niczym kosmiczne latarnie. Ich gęstość jest tak ogromna, że zaledwie łyżeczka materii z pulsara ważyłaby tyle, co Mount Everest. Choć nauka przez dekady zdołała dobrze opisać fizykę pulsarów, niektóre z nich wciąż wymykają się znanym modelom. Nowe badania sugerują, że kluczem do rozwiązania tej zagadki mogą być niewiarygodnie małe „góry” na ich powierzchni.
Podstawowym mechanizmem działania pulsarów są potężne pola elektryczne, powstające podczas szybkiego wirowania. Przyspieszają one cząstki, tworząc kaskady elektronów i pozytonów, które odpowiadają za emisję fal radiowych. Istnieje jednak tzw. „linia śmierci” – teoretyczna granica, poniżej której prędkość obrotu pulsara spada na tyle, że pola stają się zbyt słabe, by podtrzymać emisję. W takim przypadku gwiazda neutronowa powinna zamilknąć.
Jednak niektóre pulsary łamią tę zasadę. Obiekty takie jak PSR J0250+5854 czy PSR J2144-3933 wciąż emitują sygnały radiowe, mimo że ich tempo rotacji znajduje się wyraźnie poniżej tej granicy. Przez lata astronomowie nie potrafili wyjaśnić tej anomalii.
Górki wielkości centymetra, ale o potężnym wpływie
Nowe światło na ten problem rzucił zespół naukowców z Uniwersytetu Pekińskiego, kierowany przez Zi-Hao Xu. Korzystając z zaawansowanych symulacji komputerowych, badacze wykazali, że mikroskopijne nierówności powierzchni – „góry” nie wyższe niż centymetr – mogą znacząco wpływać na lokalne warunki elektromagnetyczne pulsara.
W ekstremalnych warunkach panujących na powierzchni gwiazdy neutronowej, gdzie grawitacja jest 100 miliardów razy silniejsza niż na Ziemi, nawet tak niewielkie deformacje mogą prowadzić do wzmacniania pól elektrycznych. Podobnie jak szkło powiększające koncentruje światło, tak ostre zbocza tych mikrogór zwiększają lokalne natężenie pola, umożliwiając powstawanie cząstek i emisję fal radiowych – nawet wtedy, gdy pulsar obraca się zbyt wolno, by powinno to być możliwe.
Wyjątkowa materia i wewnętrzne tajemnice pulsarów
Aby jednak takie struktury mogły przetrwać na powierzchni pulsara bez natychmiastowej erozji spowodowanej intensywnym promieniowaniem i bombardowaniem cząstek, materiał budujący gwiazdę musi być niezwykle wytrzymały – znacznie bardziej niż cokolwiek znanego z Ziemi. Naukowcy sugerują, że powierzchnie gwiazd neutronowych mogą być zbudowane z egzotycznej materii, spajanej nie siłami elektromagnetycznymi, lecz silnymi oddziaływaniami jądrowymi. Taka materia miałaby energię wiązania miliony razy większą niż konwencjonalne substancje, co tłumaczyłoby stabilność tych mikroskopijnych gór.
Nowe możliwości badań
Odkrycia chińskiego zespołu, opublikowane na serwerze arXiv, mogą nie tylko wyjaśnić zagadkę „martwych” pulsarów, które nadal emitują fale radiowe, lecz także otwierają nowe drogi badania ich wnętrza. Jeśli mikrogóry są zjawiskiem powszechnym, ich wpływ powinien być dostrzegalny w charakterystyce sygnału pulsara – np. w jego czasie trwania, intensywności czy drobnych fluktuacjach. Teleskopy takie jak chiński FAST (Five-hundred-meter Aperture Spherical Telescope) mogą w niedalekiej przyszłości zarejestrować te subtelne efekty.
Co więcej, autorzy badań sugerują, że zjawisko mikrogór może być powiązane z nagłymi zmianami rotacji pulsara, tzw. glitchami. Być może to właśnie zapadanie się lub formowanie takich struktur w wyniku wewnętrznych „trzęsień gwiazdy” odpowiada za obserwowane skoki prędkości obrotowej. To powiązanie mogłoby rzucić światło na tajemnice wewnętrznej dynamiki tych niezwykłych kosmicznych obiektów.