Mysteriet med Zebra"- mönstret i Krabbnebulosan är löst.

 

Bild https://news.ku.edu Krabbnebulosan. Källa: NASA

Krabbnebulosan (ett gasmoln) har en neutronstjärna i sitt centrum som är en 12 mil i diameter stor pulsar som kastar ut elektromagnetisk strålning över kosmos. 

– Strålningen här har formen av en fyrstråle och den sveper upprepade gånger förbi jorden under stjärnans rotation, beskriver studiens huvudförfattare Mikhail Medvedev, professor i fysik och astronomi vid KU (Kansas university). – Vi ser fenomenet vanligtvis med en eller två pulser per rotation. Pulsaren är känd som Krabbpulsaren och finns i mitten av Krabbnebulosan 6 000 ljusår bort från oss.

Krabbnebulosan är resterna av en supernova som sågs 1054. Historiska dokument, inklusive kinesiska källor, beskriver en ovanligt ljusstark stjärna som dyker upp på himlen det året.

Men till skillnad från alla andra kända pulsarer har krabbpulsaren har ett zebramönster, beskriver Medvedev. Ett ovanligt bandavstånd i det elektromagnetiska spektrumet proportionellt mot bandfrekvenser och andra ovanliga egenskaper som hög polarisering och stabilitet.

"Det är väldigt ljust över praktiskt taget alla våglängder", beskriver han. – Det här är det enda objekt vi känner till som ger upphov till zebramönster och det förekommer bara i en enda emissionskomponent från krabbpulsaren. Huvudpulsen är en bredbandspuls, typisk för de flesta pulsarer, tillsammans med andra bredbandskomponenter som är gemensamma för neutronstjärnor. Den högfrekventa interpulsen är dock unik och sträcker sig mellan 5 och 30 gigahertz – frekvenser som liknar de i en mikrovågsugn.

Sedan detta mönster upptäcktes och beskrevs i en artikel  2007 beskriver Medvedev att mönstret har visat sig vara "förbryllande" för utredarna. Forskare har föreslagit olika utsläppsmekanismer, men ingen av dem har på ett övertygande sätt förklarat de observerade mönstret.

Med hjälp av data från Krabbpulsaren etablerade Medvedev en metod som använder vågoptik för att mäta densiteten hos pulsarens plasma – "gasen" av laddade partiklar (elektroner och positroner) – med hjälp av ett fransmönster som finns i de elektromagnetiska pulserna.

"Om du har en skärm och en elektromagnetisk våg passerar, fortplantar sig inte vågen rakt igenom", beskriv Medvedev. "Inom geometrisk optik skulle skuggor som kastas av hinder sträcka sig i oändlighet – om du befinner dig i skuggan finns inget ljus; Utanför den ser du ljus. Men vågoptik introducerar ett annat beteende - vågor böjer sig runt hinder och stör varandra, vilket skapar en sekvens av ljusa och svaga fransar på grund av konstruktiv och destruktiv störning.

Detta välkända fenomen orsakas av konsistent konstruktiv interferens, men har olika egenskaper när radiovågor fortplantar sig runt en neutronstjärna.

"Ett typiskt diffraktionsmönster skulle ge jämnt fördelade fransar om vi har en neutronstjärna som sköld", beskriver Medvedev. – Men här genererar neutronstjärnans magnetfält laddade partiklar som bildar ett tätt plasma, som varierar med avståndet från stjärnan. När en radiovåg fortplantar sig genom plasmat passerar den genom utspädda områden men reflekteras av tät plasma. Denna reflektion varierar beroende på frekvens: Låga frekvenser reflekterar vid stora radier och kastar en större skugga, medan höga frekvenser skapar mindre skuggor vilket resulterar i olika kantavstånd."

På detta sätt bestämde Medvedev att Krabbpulsarens plasmamateria orsakar diffraktion i de elektromagnetiska pulser som är ansvariga för neutronstjärnans singulära zebramönster.

– Den här modellen är den första som kan mäta de här parametrarna, beskriver Medvedev. – Genom att analysera fransarna kan vi härleda densiteten och fördelningen av plasma i magnetosfären. Det är otroligt eftersom dessa observationer gör det möjligt för oss att omvandla fransmätningar till en densitetsfördelning av plasmat, vilket i princip skapar en bild eller utför tomografi av neutronstjärnans magnetosfär.

Utöver detta beskriver Medvedev att hans teori kan testas genom att samla in mer data från Krabbpulsaren och finjusteras genom att ta hänsyn till dess kraftfulla och märkliga gravitations- och polarisationseffekter. Den nya förståelsen av hur plasmamateria förändrar en pulsars signal kommer att förändra hur astrofysiker förstår pulsarer.

"Krabbpulsaren är något unik – den är relativt ung med astronomiska mått mätt, bara omkring tusen år gammal och mycket energirik", beskriver han. "Men den är inte ensam; Vi känner till hundratals pulsarer och över ett dussin är unga. Kända binära pulsarer som användes för att testa Einsteins allmänna relativitetsteori, kan också utforskas med den föreslagna metoden. Denna forskning kan bredda förståelsen och observationsteknik för pulsarer, särskilt unga, energirika sådana.

Studien har publicerats i Physical Review Letters.