Naukowcy odkryli niezwykły pulsar, który może pomóc wyjaśnić tajemnicę szybkich rozbłysków radiowych

Pulsar milisekundowy PSR J1227−4853 emituje niezwykle krótkie i potężne gigantyczne impulsy radiowe. Naukowcy zauważyli, że charakter tej aktywności przypomina niektóre zjawiska obserwowane w przypadku powtarzających się szybkich błysków radiowych.

Pulsar milisekundowy z niezwykłą aktywnością radiową

.W ramach nowego badania naukowcy pod kierownictwem Saptarshiego Sarkara z National Centre for Radio Astrophysics wykryli niezwykłe, nigdy wcześniej nieobserwowane zachowanie rzadkiego rodzaju pulsara i, jak wskazują, natrafili na zaskakujący związek z jedną z największych współczesnych zagadek astronomii. Wykorzystując 174 godziny obserwacji radiowych, astronomowie odkryli, że PSR J1227-4853, szybko wirująca gwiazda neutronowa znana jako „przejściowy pulsar milisekundowy” („transitional millisecond pulsar”), emituje setki niezwykle krótkich i potężnych „gigantycznych impulsów”. Badanie zostało opublikowane w czasopiśmie „The Astrophysical Journal”.

Gwiazdy neutronowe, które wirują niezwykle szybko, wykonując pełny obrót w czasie krótszym niż około 30 milisekund, nazywane są pulsarami milisekundowymi (millisecond pulsar – MSP). Wśród nich znajduje się rzadka klasa obiektów określana jako przejściowe pulsary milisekundowe. Przechodzą one między dwoma różnymi stanami: stanem, w którym gwiazda neutronowa akreuje materię z gwiazdy towarzyszącej, oraz stanem, w którym obiekt emituje fale radiowe. Jak dotąd potwierdzono istnienie jedynie trzech przejściowych pulsarów milisekundowych wykazujących takie przechodzenie.

W czasie nowego badania naukowcy przyjrzeli się bliżej ostatniemu z potwierdzonych tego rodzaju układów, PSR J1227−4853. Został on odkryty w 2014 roku za pomocą Giant Metrewave Radio Telescope (GMRT) i wykonuje jeden obrót w ciągu 1,69 milisekundy.

Tym, co czyniło go interesującym celem analiz, było jego niezwykle silne pole magnetyczne przy „cylindrze światła” („light cylinder”) pulsara – wyimaginowanym cylindrze otaczającym pulsar, którego promień wyznacza miejsce, gdzie materia obracająca się wraz z gwiazdą musiałaby poruszać się z prędkością światła. Zdaniem astronomów wykazywał również wysoką jasność spowalniania obrotu, czyli szybko tracił energię kinetyczną w miarę spowalniania.

Właściwości te są związane z rzadkim zjawiskiem zwanym gigantycznymi impulsami (giant pulses – GP) – niezwykle krótkimi i wyjątkowo jasnymi rozbłyskami radiowymi, które mogą być nawet 10 tysięcy razy jaśniejsze niż normalny sygnał pulsara. Do tej pory wykryto zaledwie 19 tego rodzaju obiektów emitujących takie impulsy. Jednak żaden ze znanych przejściowych pulsarów milisekundowych nie wykazywał tego zachowania, dlatego naukowcy postanowili sprawdzić, czy ten również emituje gigantyczne impulsy.

Astronomowie wykryli 235 gigantycznych impulsów

.Astronomowie połączyli dwa zestawy danych z GMRT: większy, obejmujący około 165 godzin obserwacji prowadzonych przez pięć lat, oraz mniejszy, o wyższej rozdzielczości, obejmujący dziewięć godzin obserwacji przeprowadzonych w okresie krótszym niż sześć miesięcy. Po dokładnym odfiltrowaniu zakłóceń radiowych naukowcy potwierdzili 235 rzeczywistych gigantycznych impulsów, z których niektóre trwały niewiele ponad milionową część sekundy.

Dwa obszary odpowiedzialne za emisję

.Sygnały te powstawały w dwóch „aktywnych obszarach” podczas cyklu obrotu pulsara. Co istotne, badacze nie wykryli ich w oddzielnym regionie, w którym aktywność została zaobserwowana u niektórych innych pulsarów emitujących gigantyczne impulsy. Jak wskazują naukowcy, pokazuje to, że emisja nie jest przypadkowa, lecz pochodzi z bardzo niewielkiego, ściśle określonego obszaru otoczenia magnetycznego pulsara. 6 grudnia 2020 roku aktywność gwałtownie wzrosła – w ciągu jednej godziny wykryto 114 gigantycznych impulsów.

Astronomowie ustalili, że spośród dwóch aktywnych obszarów impulsy pochodzące z jednego z nich były niezwykle krótkie – trwały zaledwie 1,28 milionowej części sekundy – i były jaśniejsze niż te z drugiego regionu. Różnica ta może sugerować, że oba punkty odpowiadały za odmienne mechanizmy emisji.

Po raz pierwszy naukowcom udało się zaobserwować tego rodzaju niezwykłe zachowanie impulsów w przejściowym pulsarze milisekundowym. Jednak nie wiedzą oni, czy taka ekstremalna aktywność radiowa jest ogólną cechą tego rodzaju obiektów, czy też czymś wyjątkowym dla tego układu.

Nagły wzrost aktywności pulsara

.Jak twierdzą badacze, zwiększona aktywność obejmująca ponad 100 impulsów na godzinę odpowiadała wzorcowi statystycznemu, który był bardzo podobny do gwałtownych rozbłysków obserwowanych w przypadku powtarzających się szybkich błysków radiowych (FRB). Naukowcy wskazują, że mogło to wskazywać na potencjalne podobieństwa między gigantycznymi impulsami z układów zwartych a powtarzającymi się FRB. Ponieważ gwałtowne rozbłyski w przypadku powtarzających się FRB są słabo poznane, podobne cechy zaobserwowane w gigantycznych impulsach pulsarów mogą pomóc w lepszym zrozumieniu ich zachowania.

Podobieństwa do powtarzających się szybkich błysków radiowych

.Astronomowie zauważają, że zastosowany przez nich schemat opisu procesów zachodzących w tym układzie nie uwzględniał pewnych złożonych zachowań. Alternatywne modele, które wzięłyby pod uwagę zmiany aktywności w czasie oraz złożone wzorce grupowania impulsów, mogłyby zapewnić bardziej realistyczny obraz aktywności związanej z emisją rozbłysków.

Emil Gołoś