Dansker løser gåde om neutronstjerner
Nye teoretiske beregninger afslører, hvordan en hurtigt roterende neutronstjerne, en såkaldt millisekundpulsar, bremser op, når den ikke længere kan suge næring til sig fra sin følgestjerne.
En millisekundpulsar har omkring 40.000 omdrejninger hvert minut, hvilket svarer til 2,5 millioner omdrejninger hver time. Rotationshastigheden på millisekundpulsarens overflade er større end 50.000 km i sekundet. (Foto: NASA)

En hurtigt roterende neutronstjerne, en såkaldt millisekundpulsar, er berømt for stort set altid at optræde i par med en anden stjerne. Men en millisekundpulsar er også berygtet for at have snyltet på sin partner.

Sådan en stjerne udnytter nemlig sit enorme tyngdefelt til at æde en del af sin følgestjerne ved at suge gasserne på dens overflade til sig, indtil kun skroget er tilbage i form af en lille, undseelig ’hvid dværg’.

Millisekundpulsaren opnår derved nyt liv, for måltidet giver den kraft og energi til at spinne ekstremt hurtigt rundt om sig selv på samme måde, som når en skøjteprinsesse i en pirouette får ny rotationsenergi ved at trække sine arme tæt ind til kroppen.

Gennembrud løser store gåder

Måltidet har astrofysikerne allerede godt styr på. Til gengæld er det først nu, at en forsker har succes med at beskrive, hvad der egentlig sker med millisekundpulsarens rotation i det øjeblik, den ikke kan vride mere næring ud af sin livsledsager.

Ved at kombinere allerede kendte stjerneudviklingsteorier med beregninger af de kræfter, pulsaren er udsat for, er det lykkedes den danske astrofysiker Thomas Tauris at lave en computermodel af, hvordan millisekundstjernen opfører sig, når forrådet hos følgestjernen er brugt op.

Det viser sig, at de hurtigt roterende neutronstjerner har en indbygget bremse i form af deres ekspanderende magnetosfære, der bliver aktiveret ved måltidets afslutning.

Thomas Tauris præsenterer modellen i en videnskabelig artikel i det prestigefyldte videnskabelige tidsskrift Science.

»Jeg har undersøgt, hvad der sker i det øjeblik, neutronstjernen slipper sit greb i følgestjernen. Det var der tilsyneladende ingen, som tidligere havde forsøgt at beregne, og det var egentlig også først bagefter, at jeg forstod vigtigheden af mit resultat, da jeg kom i tanker om alle de gåder, der nu kunne løses,« fortæller Thomas Tauris, der oprindeligt er uddannet astrofysiker fra Aarhus Universitet, og som nu er gæsteprofessor ved det astronomiske institut ved Bonn Universitet i Tyskland.

Millisekundpulsarer er et nyopdaget fænomen

Den nye opdagelse åbner døren ind til en dunkel verden, for millisekundpulsarer er en ret ny opdagelse. De første millisekundpulsarer blev afsløret så sent som i 1982, og i dag kender man faktisk kun til i alt 200 sådanne neutronstjerner.

Fakta

En neutronstjerne er en stjerne, der hovedsagelig består af neutroner. Neutronstjerner dannes i supernovaeksplosioner og er slutstadiet i udviklingen for de stjerner, hvis oprindelige masser er mellem ca. 8 og 25-30 gange Solens.

Efter eksplosionen er kun ca. 1,4 gange Solens masse tilbage i form af neutronstjernen. Neutronstjerner er blandt de mest ekstreme objekter i universet. I centrum er massefylden flere gange massefylden i atomkerner, og hele stjernen har en radius på bare 10 km.

Neutronstjernerne kan sammenlignes med makroskopisk store atomkerner, dog med den forskel, at gravitationen snarere end den stærke vekselvirkning holder dem sammen.

Magnetfelter mere end 10 13 gange stærkere end Jordens er almindelige, hvilket sammen med en meget hurtig rotation (op til 700 gange i sekundet) er en vigtig årsag til, at neutronstjerner kan observeres som pulsarer.

Millisekundpulsarerne er oprindeligt skabt af gamle neutronstjerner med super høj massetæthed og stærke magnetfelter, og en neutronstjerne opstår, når en tung stjerne eksploderer i en supernova og efterlader sin indre kerne.

Neutronstjerner, der lever et singleliv, vil med tiden dø ud - til gengæld vil de eksemplarer, der befinder sig inden for en anden stjernes intimsfære, se sit snit til at kunne få nyt liv ved ublu at æde af sin følgestjerne. I takt med at neutronstjernen høster energi, roterer den hurtigere og hurtigere rundt om sig selv, indtil den gennemfører mellem 100 og 700 omløb i et enkelt sekund, det vil sige, at den bruger mellem 1 og 10 millisekunder på at rotere én gang.

Så længe millisekundpulsaren er i gang med sit måltid, udsender den for hver omdrejning en puls af energirig røntgenstråling fra sine magnetiske poler. I det øjeblik, følgestjernens overflade er fortæret, overgår røntgenpulsaren i stedet til at udsende knapt så energirige pulser af radiobølger, tilsyneladende i et lidt mere behersket tempo. Stjernen er dermed ikke længere en røntgen-millisekundpulsar men en radio-millisekundpulsar.

Overgangen mellem disse to livsfaser i kannibalens liv har man kunnet afdække ved hjælp af observationer, men den bagvedliggende fysiske proces har på mange måder været gådefuld. Nu står det dog klart, hvad der sker, efter at Thomas Tauris har bragt sin model til torvs.

Følgestjernens gas spredes ud i universet

Når følgestjernens forråd er ved at slippe op, vil der strømme mindre gas over til den roterende neutronstjerne, fortæller han. Konsekvensen er, at strømmen af gas udøver et mindre tryk på neutronstjernens magnetosfære, som fra at have været mast tæt ind til stjernen, pludselig får betydeligt mere plads at udfolde sig på.

Hvor magnetosfæren før guidede gassen fra følgestjernen ind på neutronstjernens overflade, virker den nu pludselig som et panser. Da magnetosfæren pisker rundt og rundt i takt med stjernens rotation, vil den indkommende gas prelle af på panseret og blive spredt ud til alle sider. Dette medvirker til, at stjernen mister rotationsenergi og dermed snurrer end kende langsommere rundt.

Magnetosfærens udvidelse bremser også neutronstjernen ned på en anden måde, der svarer til det, der sker, når man forsøger at stoppe sin cykel ved at træde tilbage i pedalerne. På cyklen stammer kraften til at bremse fra cyklistens fod, og kraften forstærkes og overføres til selve hjulpet via pedalarmen. Jo hårdere cyklisten træder, og des længere pedalens arm er, des større er det ’kraftmoment’, der i sidste ende får cyklen til at bremse.

På neutronstjernen kommer kraften fra den sidste rest af overført gas, og kraften forstærkes og overføres til pulsaren via magnetosfæren. Jo større magnetosfæren er, des stærkere bliver det ’kraftmoment’, der nedbremser millisekundpulsarerne.

Speeder og bremse i én og samme proces

Fakta

En magnetosfære er det område af rummet, der domineres af en stjernes eller en planets magnetfelt.

Thomas Tauris’ model kan også give en forståelse af, hvorfor neutronstjernen trods alt stadig snurrer rundt som en millisekundpulsar i et imponerende højt tempo med kun en anelse lavere rotationshastighed, end før den mistede sit tag i følgestjernen.

Årsagen er, at nedbremsningen af magnetosfæren kun delvis forplanter sig til neutronstjernen. Thomas Tauris viser i sin videnskabelige artikel, at magnetosfæren ekspanderer i et betydeligt hurtigere tempo, end den hastighed hvormed kraftmomentet kan nå at nedbremse stjernen. Det forklarer, hvorfor neutronstjernen kun mister godt halvdelen af sin rotationsenergi og dermed fastholder sin identitet som millisekundpulsar, efter at energitilførslen fra følgestjernen er stoppet.

Observationerne viser, at røntgen-millisekundpulsarer i gennemsnit har en rotationsperiode på 3,3 millisekunder, mens radio-millisekundpulsarerne har én på 5,5 millisekunder. Den forskel forklarer Thomas Tauris forklaringsmodel meget præcist.

»Det pudsige er, at det er præcist de samme processer, der speeder neutronstjernen op til rotationshastigheder på millisekunder, som også sørger for at bremse stjernerne ned igen. Den viden giver os et nyt syn på dannelsen af radio-millisekundpulsarer. Om processen agerer speeder eller bremse afhænger af magnetosfærens størrelse og neutronstjernens rotationsperiode,« påpeger Thomas Tauris.

Millisekundpulsarer kan teste Einsteins Relativitetsteori

Grunden til, at det overhovedet er interessant at studere pulsarer er, at det er nogle af de mest ekstreme objekter i universet. Ikke alene har neutronstjernerne de største tætheder af stof – de bærer også nogle af de stærkeste magnetfelter, der er op til en million gange kraftigere, end dem man hidtil har kunnet frembringe i et laboratorium.

»Så ved at studere pulsarer og andre former for neutronstjerner, kan vi lære noget om fysikken, som vi ellers er afskåret fra at kunne undersøge her på Jorden,« fortæller Thomas Tauris.

En specielt interessant egenskab ved de hurtige millisekundpulsarer er, at de er meget præcise ure, da man i nogle tilfælde kender deres rotation med 15 cifre. Når de er så uhyre nøjagtige, er de ideelle at bruge som test af gravitationsteorier som f.eks. Einsteins berømte teori om den firedimensionelle rumtid.

Da millisekundpulsarerne kredser om en følgestjerne, kan man bruge dem til at teste Relativitetsteoriens påstande om, hvordan rummet omkring følgestjernen ser ud.

Sorte huller i kikkerten

Fakta

Hvis opbremsningen af magnetosfæren forplantede sig effektivt ind til neutronstjernerne, ville de ifølge beregningerne blive bremset kraftigt ned til rotationshastigheder på mellem 50 og 100 millisekunder, så disse neutronstjerner ikke længere kan bryste sig af at være millisekundpulsarer.

De forhold, der findes på Jorden og i Solsystemet, tillader kun at teste Einsteins Relativitetsteori i det såkaldt ’svage regime’, hvor masser og kræfter er forholdsvist små. For at kunne teste modellen i det ’stærke regime’, hvor masserne og kræfterne er voldsomt store, har man foruden den større krumning af rumtiden også brug for et uhyre præcist ur, der i stor detalje kan kortlægge, nøjagtigt hvor lang tid forskellige processer tager.

Og man finder ikke noget bedre ur end en millisekundpulsar, der med sine enestående nøjagtige pulser holder skarpt øje med tiden. Derfor er Thomas Tauris og andre astrofysikere så forhippede på at finde millisekundpulsarer og kortlægge deres gøren og laden.       

Sammen med kolleger i Bonn er Thomas Tauris så småt begyndt at overveje, hvordan millisekundpulsarer mon opfører sig i nærheden af et sort hul, der er det mest ekstreme objekt af alle. Indtil videre har man kun observeret millisekundpulsarer i kredsløb om hvide dværge og andre neutronstjerner, men endnu ikke nogen om sorte huller, så her er der klart en mulighed for at bedrive spændende ny forskning.

»Vi vil frygteligt gerne finde en millisekundpulsar omkring et sort hul, for så kunne man i endnu højere grad få testet de forskellige gravitationsteorier og holde dem op mod hinanden. Det er en af de helt store udfordringer inden for astronomien i disse år,« slutter Thomas Tauris.

 

Animationen, der stammer fra det amerikanske rumagentur NASA, viser, hvordan en neutronstjerne, der nærmest er udslukt, stråler med fornyet kraft ved at tappe energi fra sin følgestjerne.

Aldersbestemmelse af millisekundpulsarer er forkert

Thomas Tauris nye model løser også et gammelt mysterium med millisekundpulsarernes aldre. Astronomerne har altid gået meget op i at forsøge at bestemme hvor gamle disse neutronstjerner er, fordi alderen har stor betydning for forståelsen af, hvordan disse ekstreme objekter opstår og udvikler sig. 

Den eneste kilde til information er de røntgen- eller radiopulser, som millisekundpulsarerne udsender for hver rotation, og ud fra disse pulser forsøger forskerne altså at bestemme stjernens masse og alder, hvilket er en meget udfordrende opgave.

Den gængse metode til at danne sig et indtryk af, hvor gamle millisekundpulsarerne er, har hidtil været at beregne den såkaldte ’karakteristiske alder’, også kaldet ’spin-down alderen’. Den er baseret på to oplysninger, nemlig perioden mellem to pulser og den hastighed, hvormed neutronstjernens rotation  bremses op.

Da man hidtil ikke har kendt millisekundpulsarernes rotationshastighed særligt nøjagtigt, har man brugt de karakteristiske aldre som et overslag over, hvor gammel stjernen var. Men det, som Thomas Tauris viser i sin artikel er, at denne alder er misvisende og giver et forkert indtryk af, hvor gammel stjernen er.

Ved hjælp af sin nye model viser han, at millisekundpulsarerne i visse tilfælde bliver født med en karakteristisk alder, der overstiger universets alder med flere milliarder år, hvilket selvfølgelig ikke kan være tilfældet.

»Den karakteristiske alder giver altså et fejlagtigt indtryk af, at objektet er ufatteligt gammelt, selv om det i realiteten kan være meget ungt. Så hvis man vil bestemme alderen på en pulsar, er det altså vigtigt at bruge en anden metode – nemlig afkølingen af deres binære makker, den hvide dværg,« siger Thomas Tauris.