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.
