Odkrycie deceleracji pulsarów

Odkrycie deceleracji pulsarówOriginal Press Release
Pulsary należą do najbardziej egzotycznych ciał niebieskich jakie zna nauka.

Po raz pierwszy udało się nam skonstruować szczegółowy numeryczny model łączący modele ewolucji gwiazd z obliczeniami momentu hamowania działającymi na wirującego pulsara

Thomas Tauris
Max-Planck-Gesellschaft

Opierając się na ewolucji gwiazd oraz momenty obrotowych zachodzących podczas procesów akrecyjnych, Tauris wykazał, że pulsary milisekundowe tracą blisko połowę energii obrotowej podczas końcowych etapów procesu transferu masy zanim nastąpi włączenie wiązki radiowej pulsara. Wynik ten jest zgodny z danymi obserwacyjnymi. Pozwala także wyjaśnić, dlaczego pulsary milisekundowe wydają się być o wiele starsza niż towarzyszące im białe karły – pozostałości po gwiazdach, z którymi wcześniej tworzyły układy podwójne. Ponadto wyjaśnia dlaczego jak dotąd nie odkryto  pulsarów submilisekundowych.

Pulsary milisekundy to silnie namagnesowane, stare gwiazdy neutronowe w układach podwójnych, które zostały rozkręcone do wysokich prędkości obrotowych w wyniku transferu masy i pędu z towarzyszącej im gwiazdy. Dzisiaj znamy około 200 takich pulsarów z okresami rotacji między 1,4 do 10 milisekund. Znajdują się one zarówno w dysku Drogi Mlecznej jak i gromadach kulistych.

Od odkrycia pierwszego pulsar  milisekundowego w roku 1982, ich okresy rotacji, silne pola magnetyczne i wiek pozostawały wyzwaniem dla teoretyków. Jednym z przykładów jest problem „wyłączania” – czyli co dzieje się z rotacją pulsara, gdy towarzysząca gwiazda przestaje przekazywać mu masę?

„Po raz pierwszy udało się nam skonstruować szczegółowy numeryczny model łączący modele ewolucji gwiazd z obliczeniami momentu hamowania działającymi na wirującego pulsara”- mówi Thomas Tauris. -„Wynik pokazuje, że milisekundowe pulsary tracą blisko połowę energii obrotowej w fazie rozłączania płata Roche”. Faza ta dotyczy zakończenie transferu masy w układzie podwójnym. Dlatego emitujące impulsy radiowe pulsary milisekundowe powinny wirować nieco wolniej niż ich przodkowie,  milisekundowe pulsary rentgenowskie, które nadal pobierają materię od swojej gwiazdy towarzyszącej. Dokładnie zgadza sie to z danymi obserwacyjnymi. Ponadto, nowe odkrycia pomagają wyjaśnić, dlaczego niektóre pulsary milisekundowe wydają się mieć cechy wskazujące iż powinny być starsze od Wszechświata.

Kluczową cechą nowych wyników jest to, że ukazują, jak wirujący pulsar jest w stanie wyrwać się z fazy tzw zrównoważonego wirowania. W trakcie gdy maleje szybkość transferu materii, jego magnetosferyczny promień rośnie, odrzucając opadającą materię. W efekcie pulsar tracie dodatkową porcję energii obrotowej i jeszcze bardzie spowalnia tempo wirowania.

„Bez rozwiązania problemu wyłączenia moglibyśmy spodziewać się spowolnienia tempa wirowania nawet od 50 do 100 milisekund w trakcie odłączania płata Roch „- mówi Thomas Tauris. -„To z kolei byłoby sprzeczne z danymi obserwacyjnymi wskazującymi istnienie pulsarów milisekundowych”.

Źródła:

The discovery of deceleration

Pulsars are among the most exotic celestial bodies known. They have diameters of about 20 kilometres, but at the same time roughly the mass of our sun. A sugar-cube sized piece of its ultra-compact matter on the Earth would weigh hundreds of millions of tons. A sub-class of them, known as millisecond pulsars, spin up to several hundred times per second around their own axes. Previous studies reached the paradoxical conclusion that some millisecond pulsars are older than the universe itself. The astrophysicist Thomas Tauris from the Max Planck Institute for Radio Astronomy and the Argelander Institute for Astronomy in Bonn could resolve this paradox by computer simulations. Through numerical calculations on the base of stellar evolution and accretion torques, he demonstrated that millisecond pulsars loose about half of their rotational energy during the final stages of the mass-transfer process before the pulsar turns on its radio beam. This result is in agreement with current observations and the findings also explain why radio millisecond pulsars appear to be much older than the white dwarf remnants of their companion stars – and perhaps why no sub-millisecond radio pulsars exist at all. The results are reported in the February 03 issue of the journal “Science”.

Millisecond pulsars are strongly magnetized, old neutron stars in binary systems which have been spun up to high rotational frequencies by accumulating mass and angular momentum from a companion star. Today we know of about 200 such pulsars with spin periods between 1.4 to 10 milliseconds. These are located in both the Galactic Disk and in Globular Clusters.

Since the first millisecond pulsar was detected in 1982, it has remained a challenge for theorists to explain their spin periods, magnetic fields and ages. For example, there is the „turn-off” problem, i.e. what happens to the spin of the pulsar when the donor star terminates its mass-transfer process?

“We have now, for the first time, combined detailed numerical stellar evolution models with calculations of the braking torque acting on the spinning pulsar”, says Thomas Tauris, the author of the present study. “The result is that the millisecond pulsars loose about half of their rotational energy in the so-called Roche-lobe decoupling phase.” This phase describes the termination of the mass transfer in the binary system. Hence, radio-emitting millisecond pulsars should spin slightly slower than their progenitors, X-ray emitting millisecond pulsars which are still accreting material from their donor star. This is exactly what the observational data seem to suggest. Furthermore, these new findings help explain why some millisecond pulsars appear to have characteristic ages exceeding the age of the Universe and perhaps why no sub-millisecond radio pulsars exist.

The key feature of the new results is that it has now been demonstrated how the spinning pulsar is able to break out of its so-called equilibrium spin. At this epoch the mass-transfer rate decreases which causes the magnetospheric radius of the pulsar to expand and thereby expell the collapsing matter like a propeller. This causes the pulsar to loose additional rotational energy and thus slow down its spin rate.

“Actually, without a solution to the „turn-off” problem we would expect pulsars to even slow down to spin periods of 50 to 100 milliseconds during the Roche-lobe decoupling phase”, concludes Thomas Tauris. “That would be in clear contradiction with observational evidence for the existence of millisecond pulsars.”

Written by admin

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *