Fermi – zatmění gama záření

Pulsary jsou jedny z nejvíce fascinujících a nejpodivnějších objektů v kosmu. Není proto divu, že je astronomové a fyzikové velmi intenzivně studují. Jak už jsme si řekli v minulém článku, pulsary se vyskytují samostatně, ve dvojicích s hvězdami hlavní posloupnosti a dokonce najdeme v kosmu i dvojice, kde jsou buď obě složky pulsary nebo jeden pulsar a jedna neutronová hvězda. Všechny tyto systémy jsou něčím zajímavé, nás dnes ale bude zajímat nejvíce situace, kdy se pulsar nachází ve dvojici s hvězdou hlavní posloupnosti.

Pavoučí pulsary

Fyzikové se nedávno zaměřili právě na tyto systémy. Použili přitom gama observatoř Fermi, která je ke zkoumání podobných objektů přímo ideální. Binární systémy pulsaru a běžné hvězdy hlavní posloupnosti (hvězda ve stádiu dospělosti) není příliš těžké vysvětlit. Původně se v systému vyskytovaly obě hvězdy hlavní posloupnosti, avšak s rozdílnou hmotností. Různá hmotnost u hvězd znamená také rozdílnou délku života. Čím hmotnější hvězda je, tím kratší život ji čeká. V případě těchto systémů vždy byla jedna hvězda výrazně hmotnější, než druhá, proto brzy spotřebovala své palivo a vybuchla jako supernova.

Jako pozůstatek po explozi supernovy zůstala malá neutronová hvězda o průměru typicky nižších desítek kilometrů, která se může, ale nemusí projevovat jako pulsar. My se ale pochopitelně budeme bavit o situaci, kdy se neutronová hvězda jako pulsar projevuje. To znamená, že pravidelné pulsy elektromagnetického záření vycházející z magnetických pólů hvězdy míří přibližně naším směrem. A také to značí, že má hvězda dostatečně rychlou rotaci. Řada starších neutronových hvězd se už jako pulsary neprojevují.

V tomto případě zde ale funguje ještě jiný mechanismus. Neutronová hvězda si totiž na sebe může přetahovat materiál ze svého souputníka, hvězdy hlavní posloupnosti. Pokud k tomu dochází, získává neutronová hvězda i část momentu hybnosti z tohoto materiálu a pulsace se může znovu zažehnout. Z toho ostatně vychází i pojmenování pavoučí systémy, neboť podobně jako některé druhy pavouků žerou své partnery, také neutronové hvězdy v těchto systémech pojídají své souputníky. Pavoučí systémy dále dělíme na Černé vdovy, jejichž společníci mají méně než 5 % hmotnosti Slunce a Snovačky, které jsou doprovázeny hvězdami s hmotností 10 – 50 % Slunce.

První známý pavoučí pulsar (typu Černá vdova) objevili astronomové v roce 1988. Leží 6 500 světelných let od Země v malém souhvězdí Šípu. PSR B1957+20, jak zní přesný název objektu, je doprovázen poměrně malým společníkem, který má jen 22 krát vyšší hmotnost, než planeta Jupiter. Zřejmě jde buď o velkou plynnou planetu, nebo o hnědého trpaslíka, objekt na pomezí planety a hvězdy.

Výzkum Fermiho teleskopu

Mezinárodní tým fyziků se rozhodl tyto pavoučí systémy důkladně probádat. Využil k tomu Fermiho gama observatoř, která je nesmírně cenným přínosem k výzkumu pulsarů. Až do startu družice Fermi jsme totiž věděli jen o několika málo pulsarech vyzařujících gama záření, dnes jich díky této observatoři známé více než 300.

Vědci použili data z Fermiho teleskopu za deset let pozorování s cílem najít zatmění gama záření k nimž dochází, když je k nám pulsar vhodně natočený a z našeho pohledu prochází hvězda hlavní posloupnosti přímo před ním. Odborníci věřili, že tato pozorování budou později moci využít ve snaze zpřesnit údaje o hmotnosti a sklonu jednotlivých pulsarů. Díky kosmickým observatořím máme jedinečnou možnost zkoumat podivné stavy hmoty. Pulsary totiž obsahují nesmírně hustou látku, mají vysoká magnetická pole a podobně. Takové extrémní prostředí nelze na Zemi nijak napodobit.

Gama záření je navíc pro výzkum vlastností pulsarů velmi vhodné. Sklon pulsaru i pohyb jejich společníka se obvykle měří pomocí viditelného světla, zatímco rychlost samotného pulsaru často může určit rádiové záření. Jenže všechny tyto metody mají své nedostatky. U některých systémů, které jsou vzhledem k nám natočeny nevhodně, můžeme získávat matoucí a zavádějící výsledky. Navíc, jak společník obíhá kolem pulsaru, natáčí se jeho zahřátá polokoule směrem od nás i k nám, což vede ke kolísání množství pozorovaného světla. Gama fotony jsou však generovány přímo pulsarem a mají takovou energii, že jejich trajektorii nic nenarušuje.

Výsledky výzkumu

Pokud tedy gama fotony z určitého pulsaru chybí, znamená to jasný důkaz zastínění pulsaru jeho společníkem. A přesně to se v případě sedmi pulsarů povedlo zjistit. Jedním z nich byl i PSR B1957+20 zmíněný výše. Konkrétně se zde podařilo určit, že nám chybí 15 fotonů gama záření. To se může zdát jako strašně malá statistika. Nicméně pravidelnost gama pulsů je natolik vysoká, že i 15 zmizelých gama fotonů za deset let je dostatečný počet na spolehlivé ověření toho, že k zatmění dochází.

Dřívější modely získané ve viditelném světle ukazovaly, že pulsar váží 2,4 krát více, než Slunce a je vůči nám skloněný o 65 stupňů. To dělalo z tohoto pulsaru jeden z nejtěžších známých objektů tohoto typu a stavělo jej to na pomyslnou hranici mezi neutronovou hvězdu a černou díru. Výzkum provedený pomocí Fermiho observatoře ale ukázal, že sklon systému vůči naší rovině pozorování je 84 stupňů. A díky tomu jsme též mohli redukovat hmotnost pulsaru na 1,8 násobek hmoty Slunce.

Znalost sklonu je pro měření hmotnosti pulsarů v binárních systémech nesmírně důležitá, protože stejný nebo velmi podobný signál může vytvářet kompaktnější systém viděný zboku i vetší systém, který sledujeme pod malým úhlem. Nový výzkum proto představuje důležitý milník ve výzkumu této podskupiny pulsarů.

Závěr

Fermiho gama observatoř nám úspěšně slouží již téměř 15 let. Za tu dobu přinesla množství důležitých objevů v oblasti gama astronomie. Některé z nich jsme si zde již představovali. Pozorování zatmění gama záření z binárních systémů pulsarů a hvězd hlavní posloupnosti je nejnovějším objevem vysokého významu. V budoucnu se budou vědci snažit najít co nejvíce podobných systémů a určit, zda jsou pavoučí pulsary něčím výjimečné, nebo zda v průměru vykazují stejné vlastnosti jako všechny ostatní pulsary.

Použité a doporučené zdroje

• Fermi NASA Goddard: https://fermi.gsfc.nasa.gov/
• Fermi NASA: https://science.nasa.gov/mission/fermi/

Zdroje obrázků

• https://www.syfy.com/sites/syfy/files/art_millisecond_pulsar.jpg
• https://scx1.b-cdn.net/csz/news/800a/2015/binarystarsy.jpg
• https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/2/2a/Accretion_disk.jpg
• https://www.sciencealert.com/images/2019-09/processed/pulsar_1024.jpg
• https://www.nasa.gov/images/content/283511main_fermigrop_pulsarmodel_HI.jpg
• https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/b/b7/Fermi_Gamma-ray_Space_Telescope_spacecraft_model.png
• https://cdn.sci.news/images/enlarge10/image_11600e-Spider-Pulsar.jpg
• https://cosmosmagazine.com/space/shortest-orbit-black-widow-binary-stars/