‘Pulsar is gigantische permanente magneet’

Share Button

Verschillende onopgeloste problemen worden in één klap opgelost door aan te nemen dat pulsars, ingestorte sterren met een extreem sterk magneetveld, nog meer bizar zijn dan we tot nu toe dachten.

Kubieke meter magneetveld bevat meer energie dan de mensheid ooit heeft geproduceerd
Pulsars zijn ronddraaiende neutronensterren – de resten van zware ‘uitgebrande’ sterren die voornamelijk uit dicht opeengepakte neutronen staan. In een bol van twintig tot dertig kilometer diameter bevindt zich meerdere malen de complete massa van een ster als de zon. We kunnen pulsars waarnemen door hun extreem snelle draaiing en zeer sterke magnetische velden. Per kubieke meter bevat dit magneetveld meer energie dan de mensheid in zijn hele geschiedenis heeft opgewekt. Dit magneetveld heeft een andere richting dan de draairichting van de ster, waardoor voortdurend een bundel radio- of röntgenstraling afkomstig van een van de magnetische polen, over de aarde zwiept. Althans: bij de pulsars die we waar kunnen nemen.

De accretieschijf rond de pulsar in de Krabnevel is duidelijk te zien.

De accretieschijf rond de pulsar in de Krabnevel is duidelijk te zien.

Bestaande theorieën verklaren niet waarom neutronenster zo een sterk magnetisch veld heeft
Wat uiteraard de vraag openlaat: waar komt dat extreem sterke magneetveld van een biljoen tesla vandaan? Om een indruk te geven: dat is vele miljarden maal zo sterk als zelfs het allersterkste magneetveld ooit door de mens opgewekt. Tot nu toe werd gedacht dat het werd opgewekt door stromende geladen deeltjes als gevolg van de extreem snelle rotatie van de pulsar. Deze geladen deeltjes moeten zich gedragen als een supervloeistof en dus zonder weerstand stromen. Er is alleen een probleem met deze theorie: uiteindelijk gaat een dergelijke stroom zich gelijkrichten met de rotatie. De magnetische polen vallen dan samen met de echte polen en dan blijft de zwiepende bundel voor altijd stilstaan. Zoals we weten is dat onzin. Ook zijn supergeleidende stromen zeer onstabiel terwijl pulsars juist extreem nauwkeurig zijn. Een andere theorie is dat het magnetische veld van de ster wordt geconcentreerd in de zeer kleine neutronenster. Ook dit wekt problemen op: de sterkste pulsars hebben een veld van een biljoen tesla, veel meer dan dit proces kan verklaren. Ook verdwijnt het grootste deel van het magnetische veld met de enorme sterontploffing die de pulsar vormt.

Permanente neutromagneten
Twee Zweedse fysici, Johan Hansson en Anna Ponga van de technische universiteit van Luleå, hebben een slimme uitweg uit dit heikele probleem gevonden. Magneetvelden worden gevormd door stromende elektrische ladingen, maar ook door natuurlijke magneetjes, zoals ijzeratomen in een staafmagneet, op één lijn te krijgen.  Dit is volgens het tweetal precies wat er in neutronensterren gebeurt. Als een neutronenster zich vormt, worden neutronen – elk een minuscuul magneetje – gelijkgericht omdat dat de toestand van minste energie is. Als de neutronen eenmaal een bepaalde configuratie hebben gekregen, blijft het magnetische veld ook in stand. Elke afwijking betekent energieverlies. Dit maakt neutronensterren gigantische permanente magneten: neutromagneten.

Neutromagneet versterkt zichzelf
Een neutromagneet is erg stabiel, net als een ferromagneet (vrijwel alle permanente magneten die we kennen). Het veld zal zich richten naar het oorspronkelijke, veel zwakkere, magnetische veld van de ster. Dit veld wordt hierdoor extreem versterkt, ongeveer zoals ijzer in een spoel het opgewekte magneetveld enorm versterkt. Heel interessant is dat dit niet in dezelfde richting hoeft als de draaias. In grote lijnen hebben neutronensterren een vergelijkbare massa – ze vormen een vrij nauwe overgang tussen witte-dwergsterren en zwarte gaten. Om die reden konden Hansson and Ponga berekenen wat de maximum veldsterkte is van de velden die ze kunnen genereren. Deze maximumsterkte blijkt rond de biljoen tesla te liggen, precies de al genoemde maximale waargenomen sterkte. Dit lost verschillende van de openstaande puzzels in neutronensterfysica in één klap op.

De theorie is ook eenvoudig uit te testen, wat het een goede, bona fide wetenschappelijke theorie maakt. Volgens de theorie kunnen neutronensterren geen magnetisch veld hebben dat sterker is dan 1012 tesla. Vinden astronomen een sterker magneetveld, dan is hiermee de theorie onmiddellijk verworpen.

Gooit Pauliverbod roet in het eten?
De theorie is niet onomstreden. Zo is het de vraag of het Pauliverbod, een kwantummechanische regel die het verbiedt dat twee fermionen (deeltjes met een oneven spin, zoals onder meer elektronen, protonen en neutronen) zich in dezelfde faseruimte met dezelfde eigenschappen bevinden, dit niet verbiedt. Immers: twee neutronen die precies dezelfde richting op staan, zijn volledig identiek. Hansson en Ponga wijzen echter op laboratoriumexperimenten die een aanwijzing lijken te geven dat kernspins zich in dezelfde richting kunnen richten. Ze denken dat dicht opeengepakte neutronen wel eens andere kwantumgetallen zouden kunnen hebben dan materie zoals wij die kennen. Ze noemen een isotopische tripletstaat als voorbeeld van een kwantumconfiguratie die gelijkrichting wel toestaat. Meer in het algemeen: neutronensterren vormen volgens hen een extreme staat van de materie die we niet in het lab na kunnen bootsen en die heel goed onbekende eigenschappen kan vertonen. Het zou niet de eerste keer zijn dat de natuur ons voor verrassingen stelt.

Verandert de snelle rotatie de kwantumeigenschappen van deeltjes?
Dan is er wellicht nog een mogelijkheid, niet in het artikel genoemd. Er is door astronomen eerder vastgesteld dat er onder een bepaalde rotatiesnelheid (de langzaamste pulsar roteert elke 8,6 seconden) geen pulsars meer voorkomen. Klaarblijkelijk schakelt het stilvallen van de rotatie pulsars uit. Logisch, zegt de bestaande theorie, immers deze rotatie wekt net als bij de aarde het magnetische veld op dus als deze verdwijnt, verdwijnt ook het veld. De nieuwe theorie verklaart dit verschijnsel niet. Maar zou het niet zo kunnen zijn dan de hoge rotatiesnelheid extra vrijheidsgraden aan de neutronen geeft (of bosonische, magnetische quasideeltjes in de supervloeistof vormt) die, als de pulsar stilvalt, wegvallen en zo het Pauliverbod in werking doen treden? En daarmee het magneetveld uitschakelen?

Kortom: een controversiële theorie van beide fysici, maar zeer elegant. Waard om verder onderzoek naar te doen.

Bron:
Hansson en Ponga, Pulsars: Cosmic Permanent ‘Neutromagnets’?, ArXiv (2011)

Share Button

Germen

Hoofdredacteur en analist (Visionair.nl) Expertise: biologische productiesystemen (master), natuurkunde (gedeeltelijek bachelor), informatica

Dit vind je misschien ook interessant:

2 reacties

  1. Barry schreef:

    Ik vraag me af of pulsars onbedoeld verward worden met Kerr-zwarte gaten. Het zou een hoop verklaren.

    http://nl.wikipedia.org/wiki/Kerr-zwart_gat

  2. Jan Overtoom schreef:

    L.S.

    Is het niet mogelijk dat in de ruimte een “plasma” ontstaat dit is een rondgang van electromagnetische straling.
    In een constellatie kan het fenomeen electrischegolven uitstralen omdat het magnetische in een rondgang “resonantie” zit.
    In een andere constellatie kan het fenomeen magnetischegolven uitstralen omdat de elektrische in een rondgang “resonantie” zit.
    Let wel!!
    Omdat dit niet in aardse condities plaatsvindt moeten we voorzichtig zijn met conclusies.
    In Zwitserland is men bezig deze situaties na te bootsen. (Cern)

    Met groet,
    Ing. Jan Overtoom
    jbt.overtoom@mindef.nl

Geef een reactie

Advertisment ad adsense adlogger