Een oud vermoeden is eindelijk bevestigd: ook stokoude pulsars produceren een stroom van hoog-energetische deeltjes, die verklaart waarom ze geleidelijk langzamer gaan draaien. Beelden van de Chandra röntgen-telescoop tonen hoe de Zwarte Weduwe -bijnaam van pulsar B1957+20 - een helder stralend kielzog achter zich aan trekt op haar tocht door de Melkweg.
'Dit is de eerste waarneming van een dubbele schokgolf-structuur rond een pulsar', zegt Ben Stappers (stichting ASTRON), hoofdauteur van het artikel dat 28 februari in Science verschijnt. De primaire schokgolf, die doet denken aan de boeggolf van een schip, was eerder door optische telescopen ontdekt. Deze is een gevolg van de hoge snelheid (220 km/s) waarmee de pulsar door het interstellaire gas beweeegt. De Chandra-waarnemingen onthullen nu een tweede schokgolf die vorm geeft aan het kielzog van de pulsar. De daar uitgezonden röntgen-straling wijst erop dat de pulsar stromen hoog-energetische deeltjes met bijna de lichtsnelheid uitstoot.
Dat was wel verwacht, maar bij een pulsar van dit type nog niet eerder waargenomen. Er bestaan namelijk twee typen pulsars. Elke pulsar is het restant van een ontplofte ster (supernova), die onder z'n eigen zwaartekracht is ineengestort tot een bol neutronen van 10 à 20 kilometer diameter.
Zo'n neutronenster, die in minder dan een seconde om z'n as draait, heeft een sterk magnetisch veld waaruit langs de magnetische noord- en zuidpool twee stromen deeltjes (waarschijnlijk elektronen) met een zeer hoge energie tevoorschijn komen, die bundels radiostraling veroorzaken. Omdat deze magnetische polen meestal niet samenvallen met de rotatie-as van de neutronen-ster, worden de bundels in het rond gezwiept, net als bij een vuurtoren. De pulsar is voor ons alleen waarneembaar als de aarde toevallig in het pad van een van de bundels ligt; we zien dan een radiobron die knippert met een frequentie overeenkomstig de rotatie van de neutronenster.
Een 'normale' pulsar, zoals de pulsar in de bekende Krab-nevel, draait enige tientallen malen per seconde om z'n eigen as, en blijft maar relatief kort (een paar miljoen jaar) actief omdat hij in hoog tempo z'n energie, extreem sterke magnetische veld en rotatiesnelheid kwijtraakt.
De Zwarte Weduwe is echter minstens twee miljard jaar oud en roteert nog veel sneller, 600 keer per seconde. Pulsars van dit zogeheten milliseconde-type danken hun eeuwige jeugd aan hun partner, een begeleidende ster die de supernova-explosie overleefd heeft en in een zeer nauwe baan om de pulsar draait. De begeleider van de Zwarte Weduwe draait in slechts 9 uur om haar heen, in een baan die maar twee keer zo wijd is als de diameter van onze zon (omdat de Zwarte Weduwe op een afstand van bijna 5000 lichtjaar staat, staan de pulsar en haar begeleider veel te dicht bij elkaar om ze met telescopen te onderscheiden).De ster heeft in het verleden een groot deel van z'n gas verloren aan de neutronenster, die door het opslokken van deze materie steeds sneller is gaan roteren. Oude pulsars hebben echter wel een veel zwakker magnetisch veld dan jonge.
'Vanwege al die verschillen, waren we er allerminst zeker van of milliseconde-pulsars net als hun jonge soortgenoten hoog-energetische deeltjes uitstralen.', aldus mede-onderzoeker Bryan Gaensler (Cambridge, Massachusetts). Duidelijk was wel dat ook oude pulsars in hoog tempo rotatie-energie kwijtraken aan hun omgeving, omdat meetbaar is dat hun rotatie-snelheid afneemt. De Zwarte Weduwe straalt op die manier ongeveer 25 maal zo veel energie uit als de zon, hoewel die energie vrijkomt uit een bol met een oppervlakte die 10 miljard maal kleiner is dan die van de zon.
Op en rond een neutronenster heersen zulke extreme omstandigheden dat die in aardse laboratoria zelfs niet bij benadering zijn na te bootsen. Gedetailleerde studie van pulsars en hun interactie met de omgeving is dus de enige experimentele mogelijkheid om zulke exotische fysica beter te begrijpen.
Andere teamleden zijn: Victoria Kaspi (McGill University, Montreal), Michiel van der Klis (UvA) and Walter Lewin (Massachusetts Institute of Technology, Cambridge).
Contact:
Ben Stappers
bws@science.uva.nl