Sub-Millisecond Pulsars: Missing or Impossible?

Al bijna een halve eeuw zijn astronomen gefascineerd door een specifieke klasse kosmische objecten: neutronensterren. Dit zijn de ingestorte kernen van massieve sterren die explodeerden, waarbij een sfeer van materie achterbleef die zo dicht is dat een enkele theelepel een miljard ton zou wegen. Omdat ze snel draaiend worden geboren en vaak een tweede wind krijgen door materiaal te stelen van een begeleidende ster, draaien veel van deze stellaire resten honderden keren per seconde. De snelste hiervan, bekend als milliseconde-pulsars, fungeren als kosmische vuurtorens die bundels radiogolven over de hemel vegen met een regelmaat die die van atoomklokken evenaart. Sinds het eerste dergelijke object in 1982 werd ontdekt, hebben wetenschappers honderden van hen gevonden, met rotatieperioden variërend van tien milliseconden tot ongeveer 1,4 milliseconden. Dit heeft geleid tot een hardnekkig en intrigerend mysterie: waarom heeft niemand ooit een neutronenster gevonden die sneller draait dan dat? Is er een natuurkundige wet die voorkomt dat ze zo snel draaien, of verbergen ze zich simpelweg voor onze telescopen?

Een nieuwe studie door een team van astrofysici onderzoekt deze ontbrekende schakel in ons begrip van het universum. De onderzoekers wilden vaststellen of de afwezigheid van "sub-milliseconde"-pulsars — die minder dan één duizendste van een seconde draaien — te wijten is aan een fundamentele limiet van de natuur of simpelweg aan een tekortkoming in onze zoekmethoden. Ze combineerden gedetailleerde observaties van bekende pulsars met complexe computersimulaties van hoe deze sterren evolueren in binaire systemen. Hun werk suggereert dat het antwoord niet één enkele barrière is, maar een combinatie van kosmische inefficiënties. De studie betoogt dat hoewel de wetten van de fysica het een neutronenster niet strikt verbieden om zo snel te draaien, het proces dat nodig is om hen sneller te laten draaien zo inefficiënt en kortstondig is dat dergelijke objecten waarschijnlijk extreem zeldzaam zijn. Als ze bestaan, vertragen ze waarschijnlijk bijna onmiddellijk na hun vorming naar lagere snelheden, waardoor ze bijna onmogelijk te vangen zijn als langdurige radiogolven.

Het onderzoek begon met het kijken naar de meest voor de hand liggende redenen waarom een neutronenster zou stoppen met sneller draaien. Eén mogelijkheid was dat de ster zelf uit elkaar zou vliegen als hij te snel zou draaien, een limiet die bekend staat als het centrifugale breukpunt. De onderzoekers ontdekten echter dat voor de meeste realistische modellen van neutronenster-materie, deze limiet in werkelijkheid veel hoger ligt dan het huidige record, waardoor rotaties ruim onder de ene milliseconde mogelijk zijn. Een andere leidende theorie suggereerde dat de emissie van zwaartekrachtgolven — rimpelingen in het weefsel van de ruimtetijd — als een rem zou kunnen werken, waardoor de rotatie-energie van de ster wordt afgevoerd voordat deze sub-milliseconde snelheden kan bereiken. Hoewel dit mechanisme plausibel is, vonden het team en de onderzoekers dat de huidige observaties geen sterk bewijs leveren dat zwaartekrachtgolven de primaire reden zijn waarom we deze snelle spinners nog niet hebben gezien.

In plaats daarvan richtte het team zich op de levensloop van een neutronenster. Om dergelijke extreme snelheden te bereiken, moet een neutronenster worden "gerecycled". Dit gebeurt wanneer de ster deel uitmaakt van een binair systeem en gas wegzuigt van een begeleidende ster. Terwijl dit gas op de neutronenster valt, draagt het impulsmoment over, waardoor de ster sneller gaat draaien, vergelijkbaar met een kunstschaatser die zijn armen intrekt. De onderzoekers gebruikten computermodellen om dit proces te volgen, waarbij ze berekenden hoeveel massa een neutronenster moet absorberen om een rotatie van één milliseconde te bereiken. Ze ontdekten dat de ster een aanzienlijke hoeveelheid materiaal moet doorslikken — ongeveer een kwart van de massa van onze zon. Deze vereiste creëert een flessenhals. De begeleidende sterren die in staat zijn om deze hoeveelheid massa te leveren, zijn meestal zelf ook vrij massief, en zij evolueren en dragen hun materiaal zeer snel over.

Deze snelheid is het probleem. De massieve begeleidende sterren branden hun brandstof op en dragen hun massa over in een uitbarsting die slechts enkele miljoenen jaren duurt. Dit is veel te kort voor de neutronenster om efficiënt genoeg materiaal te absorberen om een sub-milliseconde rotatie te bereiken. Bovendien benadrukte de studie dat het proces van accretie (massa-opname) niet perfect efficiënt is. Veel van het materiaal dat van de begeleidende ster wordt overgedragen, wordt vaak weggeblazen of verloren voordat het de neutronenster kan bereiken. De onderzoekers berekenden dat in de systemen waar we de snelste bekende pulsars zien, slechts ongeveer 20 tot 30 procent van de overgedragen massa daadwerkelijk op de neutronenster terechtkomt. Om het sub-milliseconde regime te bereiken, zou het systeem zowel extreem efficiënt moeten zijn in het opvangen van massa als een donorscher moeten hebben die lang genoeg meegaat om het te leveren. Deze twee voorwaarden lijken in de natuur wederzijds uitsluitend te zijn.

Het team overwoog ook of deze ultra-snelle sterren zich simpelweg verbergen voor onze radiotelescopen. Ze voerden simulaties uit om te zien of de manier waarop radiosignalen door de ruimte reizen — verstrooid door gas en stof — sub-milliseconde pulsen te zwak of te vervormd zou kunnen maken om te detecteren. Hoewel ze bevestigden dat deze effecten het inderdaad moeilijker maken om zeer snelle pulsars te vinden, toonden de simulaties aan dat als er een heldere, sub-milliseconde pulsar in de buurt zou bestaan, onze huidige instrumenten deze vrijwel zeker gevonden zouden hebben. Het gebrek aan detectie komt niet door een fout in onze zoekmethoden, maar door het feit dat de objecten zelf waarschijnlijk niet in significante aantallen aanwezig zijn.

De studie concludeert dat de afwezigheid van sub-milliseconde pulsars een natuurlijk gevolg is van hoe deze sterren worden geboren en evolueren. De combinatie van kortstondige massa-overdrachtfasen en inefficiënte accretie betekent dat het universum simpelweg niet veel, zo niet geen, van deze extreme objecten produceert. Als een neutronenster er toch in slaagt om zo snel te draaien, doet hij dat waarschijnlijk slechts voor een kort moment voordat magnetische krachten of andere torques (draaimomenten) hem vertragen naar de meer gebruikelijke snelheden die we vandaag de dag observeren. De onderzoekers merkten ook op dat hoewel neutronensterren schijnbaar begrensd zijn bij deze snelheid, zwarte gaten — een ander type ingestorte ster — geen dergelijke rigide structuur hebben en theoretisch met een horizonperiode van minder dan een milliseconde kunnen draaien. Dit onderscheid benadrukt dat de limiet specifiek is voor de aard van neutronenster-materie.

Uiteindelijk verschuift dit werk de focus van het zoeken naar een ontbrekend object naar het begrijpen van de beperkingen van stellaire evolutie. Het feit dat we geen sub-milliseconde pulsar hebben gevonden, is geen falen van observatie, maar een aanwijzing over de fysica van dicht materieel en binaire ster-interacties. Het vertelt ons dat het universum een natuurlijke snelheidslimiet heeft voor deze gerecyclede sterren, die niet wordt bepaald door een harde fysieke muur, maar door de praktische beperkingen van hoe lang en hoe efficiënt een ster zijn partner kan voeden. Als sub-milliseconde pulsars bestaan, zijn het waarschijnlijk vluchtige, tijdelijke objecten die versnellen en vertragen met een zodanige snelheid dat ze onzichtbaar blijven voor onze huidige surveys, waardoor de 1,4-milliseconde recordhouder de ware kampioen van de kosmische rotatie blijft.