Pulsars Have Crunchy Crust, Supersmooth Interiors, Study Suggests

Pulsars, de overgebleven overblijfselen van ontplofte sterren, worden beschouwd als enkele van de meest accurate natuurlijke tijdwaarnemers in het universum, maar zelfs deze uitstekende kosmische klokken zijn niet perfect. Een nieuwe studie suggereert dat pulsars af en toe een "glitch" vertonen in hun timing omdat ze zijn gevuld met een "superfluïdum" dat zonder wrijving over elk oppervlak kan stromen.

Wanneer massieve sterren oud worden en sterven, exploderen ze en laten ze soms een neutronenster achter - een klein, ongelooflijk compact klompje ingestort, overgebleven stermateriaal. Een pulsar is een speciaal type neutronenster die draait met honderden omwentelingen per seconde. Pulsars zenden ook een constante lichtstraal uit, vaak als radiogolven die over de aarde kunnen vegen, waardoor de illusie ontstaat dat de pulsar aan en uit knippert. De timing van dit knipperen is zo regelmatig dat pulsars tot de nauwkeurigste tijdwaarnemers in het universum behoren.

Maar af en toe vertonen pulsars een "glitch", die plotseling een korte tijd sneller ronddraait en zo de snelheid van hun "pulserende" licht verhoogt. De nieuwe studie geeft meer steun aan de theorie dat deze glitches worden gecreëerd door een interactie tussen de buitenste schil van de pulsar en de 'superfluïde' erin, die geen viscositeit heeft. Een nulviscositeitsvloeistof kan momentum opslaan en kan uitleggen waar de extra energie voor het versnellen van de pulsar vandaan komt. [De Top 10 Sterrenmysteries aller tijden]

Als water in een kopje

Pulsars ontstaan ​​wanneer een ster met een massa ergens tussen anderhalf tot drie keer die van de zon zonder waterstofbrandstof is en onder zijn eigen gewicht instort. De instorting verbindt de buitenste lagen van de ster van de ster en creëert een explosie - een supernova. Maar veel van de massa van de ster blijft. De atomen zelf worden verpletterd en de elektronen (die typisch rond de centrale kern van het atoom cirkelen) botsen met protonen (waardoor ze neutronen worden) of ontsnappen. Wat overblijft is een bal van neutronen, omringd door een korst van neutronen en protonen. Neutronensterren zijn minder dan 10 mijl (16 kilometer) breed, maar zijn zo dicht dat een theelepel substantie honderden keren zoveel zou wegen als de Egyptische piramiden.

Wanneer roterende objecten (zoals sterren) instorten, versnellen ze (denk aan een schaatser die in haar armen trekt om sneller te kunnen draaien). Daarom draaien pulsars zo snel - sterren hebben veel massa en beginnen miljoenen kilometers breed.

Neutronensterren, inclusief pulsars, hebben intense magnetische velden die radiogolven de ruimte instralen langs hun twee polen. Omdat deze palen niet altijd in lijn liggen met de rotatie-as van de pulsar, lijken de radiogolven op de stralen van een vuurtoren en bewegen ze over de hemel terwijl de pulsar draait. Wanneer astronomen de straal met een radiotelescoop zien, lijkt het signaal aan en uit te gaan. Pulsars roteren met zeer regelmatige tussenpozen, maar nemen gemiddeld elke miljoen jaar gemiddeld ongeveer 1 seconde langzamer af (vandaar dat ze bekend staan ​​als kosmische tijdbewakers). Ze vertragen omdat ze energie verliezen door radiogolven en deeltjes die vanaf het oppervlak worden uitgestoten. Dus wetenschappers kunnen niet verklaren waarom pulsars af en toe "glitchen" of versnellen, maar het hoekige momentum om dit te laten gebeuren moet ergens vandaan komen.

Dat is waar het idee van supervloeistoffen binnenkomt. De meeste astronomen denken dat de korst van een neutronenster als een stijf kristalrooster is, maar onder de oppervlakte, zou de toenemende druk het materiaal meer en meer kneedbaar maken, totdat het een vloeistof wordt. In de nieuwe studie, Wynn Ho, een docent in de wiskundige wetenschappen aan de Universiteit van Southampton in Engeland, en zijn collega's zeggen dat de vloeistof een superfluïde is, en kan impulsmoment opslaan omdat het geen viscositeit heeft. De viscositeit van een vloeistof is vergelijkbaar met de dikte, dus water heeft een veel lagere viscositeit dan honing.

"Als je een kopje water op een tafel hebt en de beker draait, zal het water omhoog draaien", vertelde Ho aan ProfoundSpace.org. "De beker zal vertragen vanwege de wrijving van de tafel, maar het water zal blijven draaien." Normaal water zal uiteindelijk stoppen omdat het energie geeft aan de beker via wrijving, maar superfluïd water niet, voegde hij eraan toe.

De beker is in dit geval als het oppervlak van de neutronenster. Het oppervlak zal langzamer worden, omdat het energie uitstraalt. Maar de superfluïde gemaakt van neutronen blijft doorgaan. Naarmate het verschil tussen de twee snelheden toeneemt, interageert de superfluïde met de korst en geeft deze een ruk, waardoor deze sneller wordt rondgedraaid. Dat is de glitch - die op zijn beurt energie vrijgeeft en het radiosignaal dat de pulsar uitstraalt verandert. [Inside a Neutron Star (Infographic)]

Het meten van pulsar massa

Hoewel andere wetenschappers hebben voorgesteld dat supervloeistoffen mogelijk in het centrum van neutronensterren zouden bestaan, voegt het nieuwe model de fysica van vortices en de rol van temperatuur toe, zei Ho. De immense druk in neutronensterren zorgt voor temperaturen van miljarden graden. Echter, die verzengende temperaturen vallen nog steeds in de loop van de tijd, en wanneer ze onder een kritiek punt gaan, is het mogelijk om een ​​superfluïde te hebben, zei Ho.

"We vonden dat er een directe correlatie is tussen temperatuur, hoeveel van de pulsar superfluïd is en de sterkte van glitches," zei hij.

Ho zei dat het model van zijn team lijkt te kloppen met vele jaren observaties van pulsars beter dan eerdere modellen. Maar om zeker te zijn, hij wil een pulsar observeren als hij een glitch ervaart, om te zien of de voorspellingen overeenkomen met die waarnemingen. Er wordt zelfs één pulsar alleen maar waargenomen. "We willen het nog een paar keer zien glitchen," zei Ho.

Een andere draai is dat dit fenomeen kan worden gebruikt om de massa van de pulsar te meten.

"De nieuwe 'spin' (geen bedoelde woordspeling) van het artikel is dat de auteurs blijkbaar een mechanisme hebben gevonden om neutronenstermassa's te meten uit de studie van pulsar glitches," Jorge Piekarewicz, een professor in de fysica aan de Florida State University die ook de dynamiek van neutronensterren bestudeert, zei in een e-mail aan ProfoundSpace.org. Piekarewicz was niet betrokken bij de nieuwe studie. "Hoewel er veel technieken zijn om massa's te meten, is de suggestie van de auteurs om pulsar glitches te gebruiken zeker interessant," zei hij.

Gewoonlijk kijken astronomen, om de massa van een pulsar te bepalen, naar een metgezelster en schatten de massa van hoe de twee lichamen elkaars beweging beïnvloeden (hoe groter het voorwerp, hoe meer het aan een nabije metgezel trekt).

"Vanwege het soort model dat we hebben, kunnen we [de] massa van de pulsar bepalen ... de massa bepalen uit de kernfysica die we kennen, en niet de massa meten aan de hand van de zwaartekracht," zei Ho.

Koppeling dat met een meer conventionele massameting zou een boost zijn, voegde hij eraan toe. "Als de pulsar in een binair getal is", zei hij, "[kunnen we] de massa bepalen [van zwaartekracht], en kijken of de massa die we voorspellen [met het nieuwe model] hetzelfde is."