23.4: Pulsars na Ugunduzi wa Nyota za Neutron

Malengo ya kujifunza

Mwishoni mwa sehemu hii, utaweza:

• Eleza njia ya utafiti ambayo ilisababisha ugunduzi wa nyota za neutroni, ziko mbali na mamia au maelfu ya miaka ya nuru
• Eleza sifa za nyota ya neutroni inayowezesha kugunduliwa kama pulsar
• Orodha ya ushahidi wa uchunguzi unaounganisha pulsars na nyota za neutroni kwa supernovae

Baada ya mlipuko wa supanova wa aina II kufifia mbali, yote yaliyoachwa nyuma ni ama nyota ya neutroni au kitu cha ajabu zaidi, shimo jeusi. Tutaelezea tabia ya mashimo meusi katika Black Holes na Spacetime ya Curved, lakini kwa sasa, tunataka kuchunguza jinsi nyota za neutroni ambazo tulijadiliwa mapema zinaweza kuonekana.

Nyota za neutroni ni vitu vyenye densest katika ulimwengu; nguvu ya mvuto kwenye uso wake ni mara 10 ¹¹ zaidi kuliko yale tunayopata kwenye uso wa Dunia. Mambo ya ndani ya nyota ya neutroni yanajumuisha takriban nyutroni 95%, na idadi ndogo ya protoni na elektroni zilizochanganywa ndani. Kwa athari nyota ya neutroni ni kiini kikubwa cha atomia, chenye masi ^{takriban mara 10 57} masi ya protoni. Kipenyo chake ni kama ukubwa wa mji mdogo au asteroidi kuliko nyota. (Jedwali\(\PageIndex{1}\) linalinganisha tabia za nyota za neutroni na vijiti vyeupe.) Kwa sababu ni ndogo sana, nyota ya neutroni huenda inakugusa kama kitu ambacho hakiwezi kuzingatiwa kutoka kwa maelfu ya miaka ya nuru mbali. Hata hivyo nyota za neutroni zinaweza kuashiria uwepo wao katika ghuba kubwa za angani.

1.4 na <3”, “10 km” na “1014 g/cm3”.">

Jedwali\(\PageIndex{1}\): Mali ya Dwarf Nyeupe ya kawaida na Nyota ya Neutron

Mali	Nyeupe kibete	Nyota ya Neutroni
Misa (Jua = 1)	0.6 (daima <1.4)	Daima >1.4 na <3
Radius	7000 km	10 km
Uzito wiani	8 × 10 ^5 g/cm ^3	10 ^14 g/cm ^3

Ugunduzi wa Nyota za Neutroni

Mwaka 1967, Jocelyn Bell, mwanafunzi wa utafiti katika Chuo Kikuu cha Cambridge, alikuwa akisoma vyanzo vya redio vya mbali na detector maalum ambayo ilikuwa imeundwa na kujengwa na mshauri wake Antony Hewish ili kupata tofauti za haraka katika ishara za redio. Tarakilishi za mradi zilitupa karatasi za kuonyesha mahali ambapo darubini ilikuwa imechunguza anga, na ilikuwa kazi ya wanafunzi waliohitimu Wahewish kuipitia yote, kutafuta matukio ya kuvutia. Mnamo Septemba 1967, Bell aligundua kile alichokiita “bit of scruff” —ishara ya ajabu ya redio tofauti na kitu chochote kilichoonekana hapo awali.

Nini Bell alikuwa amepata, katika nyota ya Vulpecula, ilikuwa chanzo cha haraka, mkali, makali, na ya kawaida sana ya mionzi ya redio. Kama kutazama mara kwa mara ya saa, vurugu vilifika kwa usahihi kila sekunde 1.33728. Ukweli huo kwanza ulisababisha wanasayansi kubashiri kwamba labda walipata ishara kutoka kwa ustaarabu wa akili. Wanaastronomia wa redio hata nusu kwa utani walitaja chanzo cha “LGM” kwa ajili ya “wanaume wadogo wa kijani.” Hivi karibuni, hata hivyo, vyanzo vitatu vilivyofanana viligunduliwa katika maelekezo yaliyotengwa sana angani.

Wakati ikawa dhahiri kwamba aina hii ya chanzo cha redio ilikuwa ya kawaida, wataalamu wa astronomia walihitimisha kuwa hawakuwa na uwezekano mkubwa wa kuwa ishara kutoka kwa ustaarabu mwingine. Kwa leo, vyanzo hivyo zaidi ya 2500 vimegunduliwa; sasa huitwa pulsars, fupi kwa “vyanzo vya redio vya kupiga.”

Kipindi cha pigo cha pulsars tofauti huanzia muda mrefu zaidi ya 1/1000 ya pili hadi karibu sekunde 10. Mara ya kwanza, pulsars ilionekana hasa ya ajabu kwa sababu hakuna kitu kinachoweza kuonekana mahali pao kwenye picha zinazoonekana. Lakini kisha pulsar iligunduliwa haki katikati ya Kaa Nebula, wingu la gesi zinazozalishwa na SN 1054, supanova iliyoandikwa na Kichina mwaka 1054 (Kielelezo\(\PageIndex{1}\)). Nishati kutoka kwa Crab Nebula pulsar inakuja katika kupasuka kwa kasi ambayo hutokea mara 30 kila sekunde—na mara kwa mara ambayo itakuwa wivu wa watchmaker wa Uswisi. Mbali na vurugu vya nishati ya redio, tunaweza kuchunguza vurugu vya mwanga unaoonekana na X-rays kutoka kwa Nebula ya kaa. Ukweli kwamba pulsar ilikuwa tu katika eneo la mabaki ya supanova ambapo tunatarajia nyota ya neutroni iliyobaki kuwa imehamasishwa mara moja wanaastronomia kwamba pulsars zinaweza kushikamana na “maiti” haya ya nyota kubwa.

\(\PageIndex{1}\)Kielelezo Kaa Nebula. Picha hii inaonyesha emmisions ya eksirei kutoka Nebula ya Kaa, ambayo iko karibu miaka 6500 ya nuru. Pulsar ni doa mkali katikati ya pete za makini. Takwimu zilizochukuliwa juu ya mwaka zinaonyesha kwamba chembe hutoka mbali na pete ya ndani kwa karibu nusu kasi ya mwanga. Jet ambayo ni perpendicular kwa pete hii ni mkondo wa suala na elektroni antimatter pia kusonga kwa nusu kasi ya mwanga.

Nebula ya kaa ni kitu kinachovutia. Nebula nzima inawaka kwa mionzi kwa wavelengths nyingi, na pato lake la jumla la nishati ni zaidi ya mara 100,000 ile ya Jana—si hila mbaya kwa mabaki ya supanova iliyopuka karibu miaka elfu moja iliyopita. Mara wanaastronomia walianza kutafuta uhusiano kati ya pulsar na pato kubwa la nishati ya nebula iliyozunguka.

Angalia mahojiano ya kuvutia na Jocelyn Bell (Burnell) kujifunza kuhusu maisha yake na kazi (hii ni sehemu ya mradi katika Taasisi ya Marekani ya Fizikia kurekodi mahojiano na wanasayansi pathbreaking wakati bado ni hai).

Mfano wa Lighthouse inayozunguka

Kwa kutumia mchanganyiko wa nadharia na uchunguzi, wanaastronomia hatimaye walihitimisha kuwa pulsars lazima ziwe nyota za nyutroni zinazozunguka. Kwa mujibu wa mfano huu, nyota ya neutron ni kitu kama lighthouse kwenye pwani ya mawe (Kielelezo\(\PageIndex{2}\)). Ili kuonya meli kwa pande zote na bado si gharama kubwa sana kufanya kazi, mwanga katika lighthouse ya kisasa inarudi, kuenea boriti yake katika bahari ya giza. Kutoka kwa kiwango cha meli, unaona pigo la mwanga kila wakati boriti inavyoelekea mwelekeo wako. Kwa namna hiyo, mionzi kutoka eneo dogo kwenye nyota ya neutroni inapita katika bahari za anga, ikitupa pigo la mionzi kila wakati boriti inaelekea Dunia.

Kielelezo\(\PageIndex{2}\) Lighthouse. Lighthouse katika California anaonya meli juu ya bahari si kwa karibu sana na pwani hatari. Sehemu ya taa juu inazunguka ili boriti yake iweze kufunika pande zote. (mikopo: Anita Ritenour)

Nyota za neutroni ni wagombea bora kwa kazi hiyo kwa sababu kuanguka kunawafanya kuwa ndogo kiasi kwamba zinaweza kurejea haraka sana. Kumbuka kanuni ya uhifadhi wa kasi ya angular kutoka kwa Newton Mkuu wa Synthesis: ikiwa kitu kinapungua, kinaweza kugeuka kwa kasi zaidi. Hata kama nyota mzazi ilikuwa inazunguka polepole sana ilipokuwa kwenye mlolongo mkuu, mzunguko wake ulipaswa kuharakisha jinsi iliporomoka kuunda nyota ya neutroni. Kwa kipenyo cha kilomita 10 hadi 20 pekee, nyota ya neutroni inaweza kukamilisha spin moja kamili katika sehemu ya pili tu. Hii ni aina tu ya kipindi cha muda tunachunguza kati ya vidonda vya pulsar.

Sehemu yoyote ya magnetic iliyokuwepo katika nyota asilia itakuwa imesisitizwa sana wakati kiini kinapoanguka hadi nyota ya neutroni. Kwenye uso wa nyota ya neutroni, kwenye safu ya nje yenye jambo la kawaida (na si neutroni safi tu), protoni na elektroni zinakamatwa katika uwanja huu unaozunguka na kuharakisha karibu na kasi ya nuru. Katika maeneo mawili tu-kaskazini na kusini magnetic poles - unaweza chembe trapped kuepuka umiliki nguvu ya shamba magnetic (Kielelezo\(\PageIndex{3}\)). Athari sawa inaweza kuonekana (kinyume chake) duniani, ambapo chembe za kushtakiwa kutoka angani zinahifadhiwa na uwanja wa magnetic wa sayari yetu kila mahali isipokuwa karibu na miti. Matokeo yake, auroras za Dunia (zinazosababishwa wakati chembe za kushtakiwa zikipiga angahewa kwa kasi kubwa) zinaonekana hasa karibu na miti.

Kielelezo\(\PageIndex{3}\) Mfano wa Pulsar. Mchoro unaoonyesha jinsi mihimili ya mionzi kwenye miti ya sumaku ya nyota ya neutroni inaweza kusababisha kupanda kwa kunde za chafu kadiri nyota inavyozunguka. Kama kila boriti inapita juu ya Dunia, kama boriti ya lighthouse inayojitokeza juu ya meli ya mbali, tunaona pigo fupi la mionzi. Mfano huu unahitaji kwamba miti ya magnetic iko katika maeneo tofauti kutoka kwa miti ya mzunguko. (mikopo “nyota”: mabadiliko ya kazi na Tony Hisgett)

Kumbuka kuwa katika nyota ya neutroni fito magnetic kaskazini na kusini hazipaswi kuwa mahali popote karibu na miti ya kaskazini na kusini inayofafanuliwa na mzunguko wa nyota. Kwa njia hiyo hiyo, tulijadiliwa katika sura ya Sayari kubwa kwamba miti ya magnetic kwenye sayari Uranus na Neptune haijajumuishwa na miti ya spin ya sayari. Kielelezo\(\PageIndex{3}\) kinaonyesha miti ya shamba la magnetic perpendicular kwa miti ya mzunguko, lakini aina mbili za miti inaweza kufanya angle yoyote.

Kwa kweli, uharibifu wa mhimili wa mzunguko na mhimili wa magnetic una jukumu muhimu katika kizazi cha vidonda vilivyoonekana katika mfano huu. Katika fito mbili za sumaku, chembe za nyota za nyutroni zinalenga katika boriti nyembamba na zinatoka nje ya eneo la magnetic linalozunguka kwa kasi kubwa sana. Wao hutoa nishati juu ya aina mbalimbali ya wigo wa umeme. Mionzi yenyewe pia imefungwa kwa boriti nyembamba, ambayo inaelezea kwa nini pulsar hufanya kama lighthouse. Kama mzunguko unavyobeba kwanza na kisha pole nyingine ya magnetic ya nyota katika mtazamo wetu, tunaona pigo la mionzi kila wakati.

Uchunguzi wa Mfano

Maelezo haya ya pulsars katika suala la mihimili ya mionzi kutoka nyota za neutroni yenye magnetic na zinazozunguka kwa kasi ni wazo la ujanja sana. Lakini ni ushahidi gani tuna kwamba ni mfano sahihi? Kwanza, tunaweza kupima raia wa baadhi ya pulsars, na wao hugeuka kuwa katika kiwango cha mara 1.4 hadi 1.8 ile ya Jua - tu kile ambacho wanadharia wanatabiri kwa nyota za neutroni. Misa hupatikana kwa kutumia sheria ya Kepler kwa pulsars hizo chache ambazo ni wanachama wa mifumo ya nyota binary.

Lakini kuna hoja bora zaidi ya kuthibitisha, ambayo inaturejesha kwenye Nebula ya Kaa na pato lake kubwa la nishati. Wakati chembe za juu za nishati zilizotokana na nishati kutoka pulsar ya nyota ya neutroni zikipiga nyenzo zinazohamia polepole kutoka supanova, zinaimarisha nyenzo hii na kuifanya “kuangaza” kwa masafa mbalimbali tofauti—kile tunachokiona kutoka kwa Nebula ya Kaa. Mihimili ya pulsar ni chanzo cha nguvu ambacho “kinaangaza” nebula muda mrefu baada ya mlipuko wa awali wa nyota iliyoifanya.

Ni nani “anayelipa bili” kwa ajili ya nishati yote tunayoyaona ikitoka katika mabaki kama Nebula ya Kaa? Baada ya yote, wakati nishati inatoka kutoka sehemu moja, inapaswa kufutwa kwa mwingine. Chanzo cha mwisho cha nishati katika mfano wetu ni mzunguko wa nyota ya neutroni, ambayo huhamasisha chembe za kushtakiwa nje na kuzunguka uwanja wake wa magnetic kwa kasi kubwa sana. Kama nishati yake ya kuzunguka inatumiwa kusisimua Nebula ya Kaa mwaka baada ya mwaka, pulsar ndani ya nebula hupungua. Kinapopungua kunde huja mara nyingi kidogo; muda mwingi unapita kabla ya nyota ya neutroni polepole kuleta boriti yake kuzunguka.

Miongo kadhaa ya uchunguzi wa makini sasa umeonyesha kuwa Pulsar ya Crab Nebula sio saa ya kawaida kabisa kama tulivyofikiria awali: badala yake, ni hatua kwa hatua kupunguza kasi. Baada ya kupima kiasi gani pulsar inapungua kasi, tunaweza kuhesabu kiasi gani cha nishati ya mzunguko nyota ya neutroni inapoteza. Kumbuka kwamba imejaa sana na huzunguka kwa kushangaza haraka. Hata kupungua kidogo kunaweza kumaanisha hasara kubwa ya nishati.

Kwa kuridhika kwa wanaastronomia, nishati ya mzunguko iliyopotea na pulsar inageuka kuwa sawa na kiasi cha nishati kinachojitokeza kutoka kwa nebula inayozunguka. Kwa maneno mengine, kupunguza kasi ya nyota ya neutroni inayozunguka kunaweza kueleza kwa usahihi kwa nini Nebula ya Kaa inang'aa kwa kiasi cha nishati tunachokiona.

Mageuzi ya Pulsars

Kutokana na uchunguzi wa pulsars iliyogunduliwa hadi sasa, wanaastronomia wamehitimisha kuwa pulsar moja mpya huzaliwa mahali fulani katika Galaxy kila baada ya miaka 25 hadi 100, kiwango sawa ambacho supernovae inakadiriwa kutokea. Mahesabu yanaonyesha kwamba maisha ya kawaida ya pulsar ni takriban miaka milioni 10; baada ya hapo, nyota ya neutroni haizunguki tena kwa kasi ya kutosha kuzalisha mihimili muhimu ya chembe na nishati, na haionekani tena. Tunakadiria kuwa kuna nyota za neutroni milioni 100 katika galaxi yetu, nyingi zikizunguka polepole mno ili kufikia taarifa yetu.

Pulsar ya kaa ni mdogo (tu kuhusu umri wa miaka 960) na ina muda mfupi, wakati wengine, pulsars wakubwa tayari wamepungua kwa muda mrefu. Pulsars maelfu ya umri wa miaka wamepoteza nishati nyingi sana ili kutoa appreciably katika wavelengths inayoonekana na X-ray, na wao ni kuzingatiwa tu kama pulsars radio; vipindi vyao ni ya pili au zaidi.

Kuna sababu nyingine moja tunaweza kuona tu sehemu ya pulsars katika Galaxy. Fikiria mfano wetu wa lighthouse tena. Duniani, meli zote zinakaribia kwenye ndege hiyo—uso wa bahari—hivyo lighthouse inaweza kujengwa ili kufagia boriti yake juu ya uso huo. Lakini katika nafasi, vitu vinaweza kuwa mahali popote katika vipimo vitatu. Kama boriti ya pulsar iliyotolewa inafuta juu ya mduara katika nafasi, hakuna uhakika kabisa kwamba mduara huu utajumuisha mwelekeo wa Dunia. Kwa kweli, ikiwa unafikiri juu yake, miduara mingi zaidi katika nafasi haitajumuisha Dunia kuliko itajumuisha. Hivyo, tunakadiria kwamba hatuwezi kuchunguza idadi kubwa ya nyota za neutroni kwa sababu mihimili yao ya pulsar inatukosa kabisa.

Wakati huo huo, inageuka kuwa wachache tu wa pulsars zilizogunduliwa hadi sasa zinaingizwa katika mawingu yanayoonekana ya gesi ambayo huashiria mabaki ya supanova. Hii inaweza kuonekana kuwa ya ajabu, kwani tunajua kwamba supernovae hutoa nyota za neutroni na tunapaswa kutarajia kila pulsar kuwa imeanza maisha yake katika mlipuko wa supanova. Lakini maisha ya pulsar yanageuka kuwa karibu mara 100 zaidi kuliko urefu wa muda unaohitajika kwa kupanua gesi ya mabaki ya supanova ili kuenea katika nafasi ya interstellar. Kwa hiyo, pulsars nyingi hupatikana bila maelezo mengine yaliyoachwa ya mlipuko uliowazalisha.

Aidha, baadhi ya pulsars huondolewa na mlipuko wa supanova ambao si sawa katika pande zote. Kama mlipuko wa supanova una nguvu upande mmoja, unaweza kumtua pulsar kabisa nje ya mabaki ya supanova (baadhi ya wanaastronomia huita hii “kupata kick ya kuzaliwa”). Tunajua mateke hayo kutokea kwa sababu tunaona idadi ya mabaki vijana supanova katika galaxies jirani ambapo pulsar ni upande mmoja wa mabaki na racing mbali katika maili mia kadhaa kwa sekunde (Kielelezo\(\PageIndex{4}\)).

Kielelezo\(\PageIndex{4}\) Kasi Pulsar. Picha hii ya kusisimua (inayochanganya uchunguzi wa X-ray, inayoonekana, na redio) inaonyesha ndege inayofuatia nyuma ya pulsar (chini ya kulia, iliyowekwa kati ya nyota mbili zenye mkali). Ukiwa na urefu wa miaka 37 ya mwanga, njia ya ndege (inayoonekana kwa rangi ya zambarau) ni ndefu zaidi inayoonekana kutoka kwenye kitu kilicho kwenye Njia ya Milky. (Pia kuna ajabu mfupi, comet kama mkia ambayo ni karibu perpendicular kwa ndege zambarau.) Kuhamia kwa kasi kati ya maili milioni 2.5 na 5 kwa saa, pulsar inasafiri mbali na msingi wa mabaki ya supanova ambapo ilitokea.

Inaguswa na nyota ya neutroni

Tarehe 27 Desemba 2004, Dunia iliogezwa na mkondo wa mionzi ya eksirei na gamma-ray kutoka nyota ya neutroni inayojulikana kama SGR 1806-20. Kilichofanya tukio hili kuwa ajabu sana ni kwamba, licha ya umbali wa chanzo, wimbi lake la mionzi lilikuwa na athari za kupimika kwenye anga ya dunia. Mwangaza wa dhahiri wa flare hii ya gamma-ray ilikuwa kubwa kuliko mlipuko wowote wa nyota wa kihistoria.

Athari ya msingi ya mionzi ilikuwa kwenye safu ya juu katika angahewa ya Dunia inayoitwa ionosphere. Usiku, ionosphere ni kawaida kwa urefu wa kilomita 85, lakini wakati wa mchana, nishati kutoka Jua ionizes molekuli zaidi na hupunguza mipaka ya ionosphere hadi urefu wa kilomita 60. Pigo la mionzi ya X-ray na gamma-ray zinazozalishwa juu ya kiwango sawa cha ionization kama jua la mchana. Pia ilisababisha baadhi ya satelaiti nyeti juu ya angahewa kuzima umeme wao.

Vipimo kwa darubini angani vinaonyesha kwamba SGR 1806-20 ilikuwa aina maalumu ya nyota ya neutroni inayozunguka haraka inayoitwa magnetar. Wanaastronomia Robert Duncan na Christopher Thomson waliwapa jina hili kwa sababu mashamba yao ya magnetic yana nguvu zaidi kuliko ile ya aina nyingine yoyote ya chanzo cha astronomia—katika kesi hii, takriban mara trilioni 800 nguvu kuliko uwanja wa magnetic wa Dunia.

Magnetar inadhaniwa kuwa na msingi wa superdense wa neutroni unaozungukwa na ukanda mgumu wa atomi kuhusu kilele cha maili na uso uliofanywa kwa chuma. Shamba la magnetar ni nguvu sana kwamba linajenga mkazo mkubwa ndani ambayo wakati mwingine huweza kufungua ukanda mgumu, na kusababisha starquarke. Ukonde wa vibrating hutoa mlipuko mkubwa wa mionzi. Astronaut 0.1 mwanga wa mwaka kutoka magnetar hii ingekuwa imepokea does mbaya kutokana na mlipuko katika chini ya pili.

Kwa bahati nzuri, tulikuwa mbali kutosha mbali na magnetar SGR 1806-20 kuwa salama. Je, magnetar inaweza kuwasilisha hatari halisi kwa Dunia? Ili kuzalisha nishati ya kutosha kuharibu safu ya ozoni, magnetar ingekuwa iko ndani ya wingu la comets inayozunguka mfumo wa jua, na tunajua hakuna magnetar iliyo karibu. Hata hivyo, ni ugunduzi unaovutia kwamba matukio kwenye maiti ya nyota mbali yanaweza kuwa na athari za kupimika duniani.

Dhana muhimu na Muhtasari

Angalau baadhi ya supernovae huacha nyuma nyota yenye magnetic, inayozunguka kwa kasi ya neutroni, ambayo inaweza kuzingatiwa kama pulsar ikiwa boriti yake ya kukimbia chembe na mionzi iliyolenga inaelekeza kwetu. Pulsars hutoa vurugu vya haraka vya mionzi kwa vipindi vya kawaida; vipindi vyao viko katika sekunde 0.001 hadi 10. Nyota ya neutroni inayozunguka hufanya kama lighthouse, inayojitokeza boriti yake katika mduara na kutupa pigo la mionzi wakati boriti inafuta juu ya Dunia. Kama umri wa pulsars, hupoteza nishati, mzunguko wao hupungua, na vipindi vyao vinaongezeka.

faharasa

pulsar

chanzo cha redio cha kutofautiana cha ukubwa mdogo wa kimwili kinachotoa kunde za redio za haraka sana katika vipindi vya kawaida sana ambavyo huanzia sehemu ndogo za sekunde hadi sekunde kadhaa; sasa inaeleweka kuwa nyota ya neutroni inayozunguka, yenye magnetic ambayo ni juhudi za kutosha kuzalisha boriti inayoonekana ya mionzi na chembe