Problem z Krabem

Pulsar

(Problem z Krabem)

Pierwsza w katalogu mgławic Messiera, oddalona o około 6300 lś, mgławica Krab (M1) jest przypuszczalnie najbardziej oglądanym przez astronomów obiektem. Mgławica ta, zwana również SN 1054 lub 1054 AD, jest pozostałością po supernowej, która eksplodowała w lipcu 1054 roku, i którą chińscy astronomowie obserwowali wówczas przez blisko miesiąc. Była widoczna w świetle słonecznym. Obecnie rozciąga się na około 10 lś. Obserwacje ukazują wiele osobliwości. Należy do nich obecność w jej jądrze pulsara, gwiazdy neutronowej, której jasność zmienia się 30 razy na sekundę (czyli okres wynosi 33 ms).

Przeanalizujmy ostatnie fotografie w wysokiej rozdzielczości, zrobione przez ESO w VLT, oraz przez NOAO.

Mgławica Krab widziana przez VLT.

Otrzymane przez VLT (Mgławica Krab w gwiazdozbiorze Byka) spektakularne zdjęcie jest doskonałej jakości. Pulsar znajduje się blisko centrum. Ale aby wypatrzeć go pośród widocznych gwiazd potrzebne jest wprawne oko. Zaznaczmy, że jest to obraz po długom naświetlaniu, przez co pulsar wygląda na nim jak zwykła gwiazda, choć bardzo jasna. Odnotujmy również obecność bardzo jasnych gazów i czerwonych włókien.

Krab widziana NOAO

NOAO otrzymał, przy pomocy teleskopu WIYN o średnicy 3,5 m, doskonałą fotografię, tak dobrą, jak VLT.

To właśnie podczas analizowania tych dwóch zdjęć napotkałem trzeci dokument autorhttp://www2.iap.fr/saf/index.htmlstwa NOAO. Dokument ten, zamieszczony niżej, skłonił mnie od bliższego przyjrzenia się pulsarowi.

Pulsar widziany przez NOAO.

Ta niezwykła sekwencja zdjęć pulsara zrobiona została kamerą zliczającą fotony (KPCA), która pozwoliła uzyskać wyjątkową rozdzielczość czasową. Poniższy klip wideo powstał z połączenia dwóch charakterystycznych elementów sekwencji, z których pierwszy pokazuje stan spoczynkowy, a drugi stan aktywny pulsara. Oczywiście możemy mieć ich więcej.

NOAO prezentuje pełną sekwencję w formacie kompresji MPEG lub MOV. Rekomenduję, aby obejrzeć tą animację uważnie. tutaj można pobrać animację w formie ZIP.

Dźwięki pulsara. (Źródło)

Jodrell Bank Observatory ustaliło krzywą jasności pulsara w paśmie radiowym. Okres wynosi 33 ms, a trwanie jasnego impulsu to ok 3 ms.

§ Porównanie widm niektórych pulsarów

Niektóre widma pulsarów.

Zmiany jasności zaobserwowano w całym widmie elektromagnetycznym, od fal radiowych do prhttp://www2.iap.fr/saf/index.htmlomieniowania gamma.

Kolejną osobliwością pulsara Krab jest to, że w całym spektrum impulsy są synchroniczne i w fazie (patrz: lewa kolumna grafiki u góry). Według naszej wiedzy, pulsar Krab jest jedynym o tej charakterystyce.

© VLT

VLT nagrało, w świetle widzialnym, wariacje w jasności pulsara. Ciekawa czasowa asymetria, którą tu obserwujemy, jest bardzo trudna do wytłumaczenia modelem symetrycznych i biegunowych wiązek światła, wychodzących z wirującej gwiazdy neutronowej.

Co sprawia, że pulsar świeci? Dobre pytanie.

Analiza

• Podczas każdego maksimum jasności pulsara pojawia się świecący most.
• Most ten łączy pulsara z pobliską gwiazdą.
• Odległość dzieląca oba obiekty jest zmienna. Jest największa podczas najmniejszej jasności.

Pytania:

• Czy most ten jest artefaktem instrumentów?
• Czy można potwierdzić innymi obserwacjami realność tego faktu i tym samym wykluczyć hipotezę o artefaktach?
• Jaki dystans dzieli obie gwiazdy?
• Czy zmiany w odległości to iluzja optyczna lub artefakt?

Aby odpowiedzieć na dwa pierwsze pytania, użyliśmy obróbki cyfrowej na zdjęciu wysokiej rozdzielczości z ESO.

Wynik jest jasny, pomiędzy gwiazdami obserwujemy pomost. Ale ponieważ czas ekspozycji był długi, obraz pomostu jest sumą wszystkich jego instancji zaistniałych w czasie naświetlania (pulsar to gwiazda na dole). Warto odnotować:

• Most z materii ciągnie się poza pulsar.
• Wyraźnie widoczne są obłoki materii, wychodzące z drugiej gwiazdy.

Ta sama procedura powtórzona w przypadku zdjęcia wysokiej rozdzielczości dostarczonego przez NOAO w pełni potwierdza te wyniki (zdjęcie jest wyśrodkowane na pulsarze). Zauważmy:

• Most materii rozciąga się poza pulsar, przyjmując kształt dżetu.
• Na obrobionym cyfrowo obrazie z NOAO wyraźnie widać niebieską falę uderzeniową, której długość rośnie wraz z oddalaniem się od źródła, którym może być pulsar.
• Widać również symetryczne wyrzuty materii z drugiej gwiazdy.
• Na sekwencji zdjęć z KPCA, pomost materii nigdy nie pojawia się w stanie spoczynku pulsara. Wyklucza to efekt krawędziowy wywołany kamerą, chyba, żeby założyć zmienny efekt krawędzi zgodny z jasnością obserwowanego obiektu, co jest mało prawdopodobne.

Wnioski

Pomost z materii nie jest artefaktem instrumentów ani przetwarzania cyfrowego. Mamy trzy różne dokumenty go potwierdzające:

1. Sekwencję z kamery KPCA (NOAO).
2. Zdjęcie wysokiej rozdzielczości, zrobione przez VLT, którego przetworzoną cyfrowo wersję omawialiśmy.
3. Zdjęcie wysokiej rozdzielczości, zrobione przez NOAO, którego przetworzoną wersję omawialiśmy.

Jest to zatem bardzo realna okoliczność i i jest to prawdopodobnie okresowy dżet w płaszczyźnie osiowej, którego nie można pomylić z hipotetycznym osiowo biegunowym dżetem, który byłby okresowo skierowany ku obserwatorowi.

Problem

Odległość

Aby obliczyć dystans pomiędzy obiema gwiazdami możemy użyć pierwszego standardu, rozmiaru mgławicy Krab, rzędu 10 lś. Zakładamy dwie możliwe kombinacje:

1. Obie gwiazdy są w mgławicy
2. Obie gwiazdy nie są zbyt daleko od płaszczyzny poprzecznej względem kierunku patrzenia.

Okoliczność, że obie gwiazdy łączy most materii, potwierdza te hipotezy. Mierząc odległość pomiędzy gwiazdami na zdjęciu i porównując ją z rozmiarem mgławicy, otrzymujemy 0,13 roku świetlnego.

Możliwa jest inna metoda oceny. Nic nie może przekroczyć prędkości światła, zatem jeżeli ów dżet to relatywistycznej prędkości plazma wystrzelona ku pulsarowi, oraz znając okres trwania tego zdarzenia, to można wyznaczyć jego maksymalną odległość rozchodzenia się. Obliczenia dają nam maksymalny dystans mniejszy niż 10000 km. Z drugiej strony, problem nie zmieniłby się, gdyby to światło pulsara okresowo oświetlało dżet.

• Odległość 0,13 roku św. z miejsca definitywnie usuwa możliwość, że pulsar spowodowany jest niezbalansowanym dżetem biegunowym w połączeniu obracaniem się wzdłuż osi pulsara i jednoczesnym oświetlaniu obserwatora oraz dżetu długiego na 0,13 roku św. (potrzebny na to minimalny czas wynosi 45 dni)
• Druga wartość odległości jest zupełnie niekompatybilna z pierwszą.
• Obserwacja ukazująca tą półrównoczesność, zmusza nas do przyjęcia drugiej wartości: odległość < 10000 km.
• Konieczne jest rozwiązanie tej sprzeczności co do dystansu dzielącego pulsar od powiązanej z nim gwiazdy.

Problem rośnie

Wariacje odległości oraz jej wyrównywanie

• Na klatkach sekwencji odległość pomiędzy gwiazdą a pulsarem wynosi 45 pikseli w stanie aktywności, natomiast tuż przed spoczynkiem rośnie ona do 55 pikseli. Różnica wynosi więc 10 pikseli. Reprezentuje ona 20% odległości, czyli 2000 km.
• Drogę tam i z powrotem (4000 km) pulsar pokonywałby w 33 ms (okres pulsara), co daje średnią prędkość 1200000 km/s, zupełnie niezgodnie z prawami fizyki.
• Tym samym należy skorygować obliczoną poprzednio odległość: 300000 / 1200000, lub 1/4. To daje nam odległość < 2500 km oraz wariację odległości < 500 km.
• Sprzeczności w odległościach są coraz gorsze.
• Co gorsza, odległość ta jest niezgodna z z tym, co wiemy o fizycznych rozmiarach gwiazd. Jest to druga sprzeczność do rozwiązania. Należy zatem przyznać, że te dwie gwiazdy są parą niewielkich rozmiarów gwiazd neutronowych.
• W jaki sposób pulsar, biorąc pod uwagę jego masę, zmienia swoją odległość o 500 km na przestrzeni 33 ms? Kłania się problem z bezwładnością.
• Co jeszcze gorsze, w jaki sposób ziemskie teleskopy mogą mieć dostateczną rozdzielczość, aby rozpoznawać tak niewielkie rozmiary z odległości 6300 lat świetlnych?

Oczywista średnica pulsara

Krzywa wariacji jasności pulsara, ustalona przez Jodrell Bank Observatory, pozwala na ustalenie oczywistej średnicy pulsara. Jeżeli szerokość impulsu odpowiada czasowi relatywistycznego rozchodzenia się energii (plazmy i/lub światła) wokół pulsara, to długość impulsu jest wystarczająco poprawną miarą jego średnicy.

• Szerokość impulsu jest rzędu 3 ms. Tym samym średnica pulsara jest rzędu 3c/1000, czyli 900 km.
• Jest to kompatybilne z teoretyczną średnicą pulsara, wynoszącą 20 km, ale pod warunkiem, że zmierzona średnica odnosi się do otaczającej pulsar magnetosfery.
• Fluktuacja odległości (500 km) jest zatem do wyjaśnienia przez dystorsje owej magnetosfery pod wpływem dżetu z gwiazdy powiązanej z pulsarem. Rozwiązywałoby to problemy z inercją, które powstałyby, gdyby to pulsar się przesuwał pod wpływem dżetu! Jednakże wywołuje to problem z bezwładnością magnetyzmu pulsara.

Hipoteza

Istnieją trzy rozwiązania sprzeczności w odległościach, z których dwa są ze sobą kompatybilne:

1. Maksymalna prędkość, prędkość światła może zostać w pewnych warunkach przekroczona. Jednak dopóki nie będzie ewidentnego dowodu na tą hipotezę, należy ją odrzucić.
2. Odległość oraz rozpiętość mgławicy Krab zostały wyolbrzymione. Choć jest to wciąż możliwe, wydaje się mało prawdopodobne. Szereg pomiarów różnymi metodami potwierdza tą odległość.
3. W centrum mgławicy ma miejsce efekt soczewki (grawitacyjny lub optyczny). Współczynnik powiększenia dawałby stosunek do odległości 0,13 roku świetlnego do 2500 km, czyli 5 × 10⁸. Wydaje się to zupełnie nierealistyczne. Jednak gdyby go przyjąć, to obraz pulsara i gwiazdy towarzyszącej byłby właściwy. Faktycznie, uważna analiza obrobionego cyfrowo zdjęcia, pochodzącego z VLT, ujawnia niespodziewane detale, które nie muszą być artefaktami. Pozwolę ci wam odkryć. Zwróćcie uwagę na szczegóły wystające z centralnych przesyconych obszarów gwiazd. Przydatna byłaby fotografia zrobiona w krótkim czasie naświetlania. Szczegóły sugerują wyrzuty koronalne.

Bernard Lempel , 21 stycznia 2002

Wnioski:

1. Pulsar jest układem dwóch gwiazd.
2. Okresowo ku pulsarowi z partnerującej mu gwiazdy wyrzucany jest dżet.
3. W momencie uderzenia pulsar świeci.
4. Ów dżet, prawdopodobnie złożony z gorących cząstek (protonów i/lub elektronów) zachowuje się jak seria ciągłych szoków elektrycznych w gazie.
5. Pulsar, podobnie jak Ziemia, posiada magnetosferę oraz atmosferę. To deformacja magnetosfery, pod wpływem dżetu, powoduje iluzję przemieszczania się pulsara.
6. Dżet kontynuuje rozchodzenie się poza pulsarem w postaci skupionej wiązki.
7. Mechanizm ten jest ten sam co w przypadku już napotkanym przez nas w jądrze galaktyki M 87 (samo regulujący się system z masywnym obiektem omiatanym dżetem i zwiększonymi siłami przez magnetyczny żagiel słoneczny). Tutaj jednak widzimy obecność układu relaksacyjnego. To pozwala bardzo prosto wyjaśnić asymetrię czasową ujawnioną przez VLT.

Inny układ podwójny z dżetem w Krabie?

Źródło: ESO (VLT)

1. Uważne studium obrazu HDR centrum M1, plus jego obrobionej cyfrowo wersji, pokazuje istnienie drugiej pary gwiazd, generującej dżet.
2. Ta para gwiazd (neutronowych?) nie generuje żadnego pulsara.
3. Dżet jest ciągły, ale prezentuje niewytłumaczalną krzywiznę jakby na skutek bocznego wiatru.

Na kolejnej stronie (Lustro w Krabie), pokażemy jak, oraz dlaczego hipoteza o soczewce jest nie tylko możliwa, ale i prawdopodobna.

Bibliografia

1. Jets et Systèmes binaires - Bernard Lempel. L'Astronomie Vol 117 - Sept 2003. SAF. (PDF=1.6 MB)
2. To samo, Jets and binary Systems - B. Lempel, ale przetłumaczone z francuskiego [na angielski] (PDF, 588 KB)
3. Le pulsar du Crabe, Faits et Contradictions. (francuski)
4. Cluster, Explosions, Plasmoids, Ion Beams - Report on 7th Cluster Workshop (ESA 15 mar 2004) Obserwowany jest mechanizm relatywistycznych dżetów
5. Modèles d'avalanche des sous-orages géomagnétiques. (GRPS) oraz zostaje wreszcie wyjaśniony?
6. Tutorial on Supernovae, on the occasion of the 400th anniversary of the Supernova of Kepler of October 1604, zorganizowane przez Instytut Astrofizyki w Paryżu (IAP). (Doskonały raport napisany przez Dr. Jean-Pierre Martin).
7. The Mouse that soared G359.23-0.82: Wspaniałe potwierdzenie przez Chandra struktury i mechanizmu pulsarów (Wiatr gwiazdowy + magnetosfera + dżet).
8. Suzaku Discovery of Hard X-ray Pulsations from the Rotating Magnetized White Dwarf, AE Aquarii. Biały karzeł maskowany przez pulsara (kolejny układ podwójny) (Nowe)

---

Autor: Bernard Lempel

Przetłumaczono z: A Bone in the Crab

Przetłumaczył: Łukasz Buczyńki