Czarna wdowa w kosmosie

Kiedy wirująca łyżwiarka układa rozłożone wcześniej ręce wzdłuż ciała jej prędkość obrotowa gwałtownie wzrasta. Te artystyczne występy są jednocześnie pięknym pokazem jednej z fundamentalnych zasad wszechświata. Dlatego nauczyciele fizyki tak lubią wspominać o łyżwiarkach, gdy przychodzi czas by mówić o zasadzie zachowania momentu pędu. Jest może mniej słynna niż zasada zachowania energii, ale równie nienaruszalna.

Oznacza to, że jeśli nie ma zewnętrznych wpływów, to iloczyn momentu bezwładności i prędkości kątowej będzie niezmienny. Jeśli masę przesuniemy bliżej środka obrotu będzie mieć mniejszą bezwładność, więc jej prędkość kątowa wzrośnie. Dlatego wielu fajnych nauczycieli opowiada o zgrabnych łyżwiarzach i łyżwiarkach a potem wskakuje na obrotowe krzesło z dwoma ciężarkami. Zaczynają się kręcić i zbliżają ciężarki do siebie lub oddalają żeby pokazać jak zmienia się prędkość z którą się obracają. Voila! Fizyka.

Podobny efekt działa w przypadku niektórych umierających gwiazd. Gwiazdy neutronowe powstają gdy gwiazdy większe i cięższe od naszego Słońca zapadają się. Odrzucają wtedy sporą część swojej masy w przestrzeń, pozostawiając rdzeń, trochę cięższy od naszej gwiazdy, zmiażdżony do rozmiaru raptem kilku kilometrów. Efekt? Te kosmiczne łyżwiarki, ważące kwintyliony kilogramów, którym jeden obrót zajmował dni, obracają się teraz tysiące razy na sekundę.

Czasem pole magnetyczne gwiazdy neutronowej jest nachylone względem osi jej obrotu. W związku z tym, niektóre z nich niezwykle regularnie omiatają Ziemię wiązką silnego promieniowania. Pulsary. Działają jak wielkie kosmiczne latarnie morskie. Regularność ich pulsowania dorównuje zegarom atomowym. To jedna z cech, które sprawiły, że są one bardzo istotnym elementem badań kosmosu. Ta regularność sprawia też, że wszelkie odstępstwa, wszelkie nieregularności sprawiają, że astronomowie wiedzą, że dzieje się coś ciekawego.

Gdy w 2012 roku kosmiczny teleskop Comptona zaobserwował trudne do zidentyfikowania źródło promieniowania gamma, zaczęto obserwować ten punkt nieba w innych zakresach fal. Gdyby był to pulsar, powinny mu towarzyszyć dopasowane emisje radiowe, tu występowały one, ale zdecydowanie rzadziej niż się spodziewano. Ponadto błyski gamma pojawiały się co 2,5 milisekundy, co sugerowało, że pulsar wiruje z prędkością 400 obrotów na sekundę. Pulsar powinien wirować tak szybko jedynie tuż po wybuchu supernowej, potem szybko wytracić prędkość w ciągu pierwszych lat. Wtedy jednak byłby w centrum rozrzuconych resztek eksplodującej gwiazdy.

Resztek martwej gwiazdy nie było, ale udało się zaobserwować małą, lekką gwiazdę, która wydawała się zmieniać barwę z czerwonej na niebieską w półtoragodzinnym cyklu. Wkrótce astronomowie mieli już gotowe wnioski. Źródłem sygnału istotnie był pulsar. Pulsar będący w ekstremalnym, przemocowym układzie podwójnym. Nie bez powodu gwiazdy neutronowe tego typu zasłużyły sobie na miano czarnych wdów...

PSR J1311–3430 ma masę 2,7 raza większą od naszego Słońca i rozmiar kilkunastu - kilkudziesięciu kilometrów. Część tej masy zawdzięcza swojej drobnej towarzyszce. Podobnie jak moment pędu. Gdy PSR J1311–3430 zbliżył się do swojej towarzyszki, zwyczajnej gwiazdy rozpieranej od środka przez proces fuzji jądrowej, zaczął przyciągać jej zewnętrzne warstwy na swoją powierzchnię. Łyżwiarka dostała nowe ręce. Nowa masa pozwoliła mu raz jeszcze zwiększyć prędkość wirowania, a co za tym idzie energię z jaką omiata wszystko dookoła. W tym pechową gwiazdę. Dodatkowym dowodem na to, że towarzyszka pulsara została ograbiona z zewnętrznych warstw jest fakt, że nie wykryto w niej wodoru, jedynie cięższy hel, który musiał znajdować się w wewnętrznych warstwach.

A co z tym migotaniem? Oba obiekty znajdują się w odległości około pół miliona kilometrów. To tylko trochę więcej niż dystans między Ziemią a Księżycem. Okrążenie zajmuje raptem 93 minuty. W tej odległości połowa gwiazdy, która jest skąpana w potężnych promieniach pulsara rozgrzewa się do 12 000°C i świeci jasno niebieskim światłem, niczym bardzo masywne gwiazdy. Druga strona, jest znacznie chłodniejsza - 2700°C, co bardziej pasuje do malutkiej, czerwonej gwiazdy.

To jednak nie koniec morderczego działania pulsara. Jego promieniowanie powoli odrywa i wyrzuca w przestrzeń resztki słabej gwiazdy, formując długi, spiralny warkocz. I to on wyjaśnia ostatnią zagadkę, czyli urywane emisje radiowe. Rozciągnięte pasmo gazu przez większość czasu rozprasza fale radiowe z pulsara, więc nasze radioteleskopy tylko co jakiś czas mogą je wychwycić. Masa gwiazdy jest zbyt mała by mógł z niej powstać choćby biały karzeł. Więc kiedyś pozostanie z niej jedynie dysk gazu i pyłu. Dlatego właśnie niektóre pulsary zasługują na miano “czarnych wdów” na wzór pająków, których samice pożerają swoich partnerów.


Super-Dense Neutron Star Is Fastest Ever Seen
PSR J1311–3430
Black_Widow Pulsar
First black widow pulsar found from gamma ray observations
A black widow's Tango Mortale in gamma-ray light