Neutronstjärnor och pulsarer

01

Grundidén

När en jättestor stjärna dör i en explosion som kallas kan mitten av stjärnan tryckas ihop extremt hårt. Då bildas en . Det är som en gigantisk atomkärna som svävar i rymden.

Den är otroligt kompakt. Fast den väger mer än solen är den bara ungefär 20 kilometer bred – ungefär som en stad. Tyngdkraften där är så stark att till och med ljuset böjer sig runt stjärnan.

Som att krympa ett helt berg till ett sockerkorn

Föreställ dig att pressa ihop solen, med alla sina 1,4 miljoner kilometer i diameter, tills den är lika liten som Stockholms innerstad. Det är ungefär vad som händer när en stjärnkärna kollapsar till en – all massa finns kvar, men utrymmet den upptar krymper hundratusenfalt.

Materialet i en är det tätaste vi känner till. Bara svarta hål är mer extrema.

02

En tesked väger ett berg

Densitet

\rho = \dfrac{M}{\tfrac{4}{3}\pi r^3}

På vanlig svenskaFormeln räknar ut tätheten på ett objekt genom att dela dess vikt med hur mycket plats det tar.

Vad betyder symbolerna?

$\rho$: densitet (kg/m³)
$M$: massa (kg)
$r$: radie (m)

Räkneexempel

En typisk har massan 2,8 × 10³⁰ kg (ungefär 1,4 solmassor) och radien 10 000 meter.

V = \tfrac{4}{3}\pi (10\,000)^3 \approx 4{,}19 \times 10^{12}\ \text{m}^3

\rho = \dfrac{2{,}8 \times 10^{30}}{4{,}19 \times 10^{12}}

\rho \approx 6{,}7 \times 10^{17}\ \text{kg/m}^3

Det motsvarar ungefär 670 miljoner ton per kubikcentimeter – en tesked skulle väga nästan lika mycket som ett berg.

Vad det betyderDensiteten visar varför neutronstjärnor är så extrema: samma formel gäller en vattenmelon, men här blir resultatet så stort att det bryter mot all vardagsintuition om materia.

Prova själv

Bygg din egen neutronstjärna

Dra i massa och radie och se hur densiteten förändras – och jämför med vardagliga material.

Massa1.40 M☉

1.0 M☉2.5 M☉

Radie12.0 km

8 km20 km

Stjärnans densitet3,85 × 10^17kg/m³

\\rho = \\frac{M}{V} = \\frac{M}{\\frac{4}{3}\\pi r^3}

Jämförelse av densitet

Vatten1e+3×10^14 tyngre

Bly1e+4×10^13 tyngre

Vit dvärg1e+9×10^8 tyngre

Neutronstjärna1e+17×4 tyngre

"En tesked av detta material skulle väga lika mycket som ett helt berg (ca 900 miljarder kg)."

Som jämförelse väger en vanlig sten bara några tusen kilo per kubikmeter. En väger miljarder gånger mer på samma plats.

Densitet hos olika objekt

Objekt	Densitet (kg/m³)
Vatten	1 000
Jordens kärna	~13 000
Vit dvärg	~10⁹
	~10¹⁷–10¹⁸
Svart hål (vid horisonten, stjärnmassa)	varierar kraftigt

03

Hur fungerar det egentligen?

1

1. Bränslet tar slut

En stjärna minst 8 gånger tyngre än solen förbrukar till slut allt sitt kärnbränsle, och kärnan kan inte längre hålla emot sin egen gravitation.

2

2. Kollaps på ett ögonblick

Kärnan faller inåt med upp till en fjärdedel av ljusets hastighet och når neutrontäthet på under en sekund.

3

3. Studs och chockvåg

Kollapsen stoppas abrupt av neutronernas eget mottryck, och en chockvåg slungar ut stjärnans yttre lager som en .

4

4. Neutronstjärnan föds

Kvar i centrum ligger en glödhet, superflytande kula av neutroner, omsluten av ett tunt skal av järn och andra tunga grundämnen.

5

5. Snurr och magnetfält bevaras

Rotation och magnetfält som ursprungsstjärnan hade pressas ihop till samma litet föremål, och förstärks enormt – precis som en skridskoåkare snurrar snabbare när hon drar in armarna.

När stjärnan krymper börjar den snurra otroligt fort. Det är som när en konståkare drar in armarna och snurrar snabbare.

04

Fyren på himlen: pulsarer

Vissa neutronstjärnor skickar ut strålar av radiovågor. När stjärnan snurrar sveper strålen runt som ljuset från en fyr. Varje gång strålen pekar mot jorden ser vi en puls.

Rotationshastighet

v = \dfrac{2\pi r}{P}

På vanlig svenskaDen här formeln räknar ut hur fort ytan på en snurrande stjärna rör sig.

Vad betyder symbolerna?

$v$: hastighet med ytan (m/s)
$r$: stjärnans radie (m)
$P$: rotationsperiod (s)

Räkneexempel

Krabbpulsaren har radien 10 000 m och snurrar ett varv på P = 0,033 sekunder.

v = \dfrac{2\pi \times 10\,000}{0{,}033}

v \approx \dfrac{62\,832}{0{,}033}

v \approx 1{,}9 \times 10^6\ \text{m/s}

Ytan rör sig med nästan 2 000 km/s, omkring 0,6 % av ljusets hastighet.

Vad det betyderJu kortare period, desto snabbare snurrar ytan – de mest extrema millisekundpulsarerna når flera tiotal procent av ljushastigheten vid ekvatorn.

Prova själv

Lekaren med lighthouse-modellen

Justera radie och rotationsperiod för att se hur fort en pulsars yta rusar runt – och lyssna på 'blippet' som motsvarar dess period.

Massa1.40 M☉

1.0 M☉2.5 M☉

Radie12.0 km

8 km20 km

Stjärnans densitet3,85 × 10^17kg/m³

\\rho = \\frac{M}{V} = \\frac{M}{\\frac{4}{3}\\pi r^3}

Jämförelse av densitet

Vatten1e+3×10^14 tyngre

Bly1e+4×10^13 tyngre

Vit dvärg1e+9×10^8 tyngre

Neutronstjärna1e+17×4 tyngre

"En tesked av detta material skulle väga lika mycket som ett helt berg (ca 900 miljarder kg)."

716 Hz

Pulsaren PSR J1748-2446ad snurrar 716 gånger per sekund, snabbare än ett köksvispblad.

05

Hur vet vi det?

Forskare gissade att dessa stjärnor fanns redan på 1930-talet, men det dröjde länge innan vi faktiskt hittade dem.

1932

Neutronen upptäcks

James Chadwick visar att atomkärnan innehåller neutroner, vilket öppnar för idén om en stjärna av ren neutronmateria.

1934

Baade och Zwicky

De föreslår att supernovor kan skapa extremt täta 'neutronstjärnor' i stjärnkärnans spillror.

1967

Jocelyn Bell Burnell upptäcker pulsarer

Som doktorand i Cambridge hittar hon en mystisk, extremt regelbunden radiosignal – först kallad 'LGM-1' (Little Green Men) på skämt, innan den förklaras vara en roterande .

1974

Nobelpriset

Antony Hewish och Martin Ryle får fysikpriset för pulsarupptäckten – ett beslut som fortfarande kritiseras för att Bell Burnell förbigicks.

1982

Millisekundpulsarer

Snabbt roterande pulsarer upptäcks, vissa med perioder under tusendels sekund.

2017

GW170817

LIGO och Virgo detekterar från två kolliderande neutronstjärnor, och teleskop världen över ser den efterföljande kilonovan i realtid.

Idag vet vi att dessa stjärnor är verkliga. Vi har till och med sett vad som händer när två av dem krockar.

Röntgenbild av Krabbnebulosans pulsar och dess omgivande ringar av högenergipartiklar — Chandra-röntgenteleskopets bild av Krabbpulsaren visar hur den snurrande pumpar ut energi i ringar och strålar av partiklar.Bild: NASA/CXC/ASU/J.Hester et al.

06

Magnetarer – de mest magnetiska objekten

Vissa neutronstjärnor har extremt starka magnetfält. De kallas magnetarer. Deras magnetism är miljarder gånger starkare än de starkaste magneter vi kan bygga på jorden.

Dessa magnetfält är så starka att de kan påverka atomer på långt håll. Ibland sker stora skalv på dessa stjärnor som skickar ut massor av energi.

6,7 × 10¹⁷ kg/m³

Densitet hos en

en tesked väger lika mycket som ett helt berg

10¹¹ tesla

Magnetfält hos en magnetar

miljarder gånger starkare än en MR-kamera

716 varv/s

Snabbaste kända pulsaren

snabbare än ett köksvispblad

~1,4 M☉

Typisk massa

nästan en och en halv gång solens massa i en stad-stor kula

0,6c

Ytans hastighet vid snabb rotation

60 % av ljusets hastighet

100 000 år av solenergi

Energi i en starkvaka

frigörs på en bråkdels sekund

07

GW170817: när två neutronstjärnor krockade

År 2017 såg vi för första gången två neutronstjärnor som krockade. Det hände jättelångt bort men vi kunde känna av det med speciella instrument på jorden.

Teleskop över hela världen tittade mot samma ställe och såg en stor explosion. Det var en historisk händelse.

När de krockar skapas massor av tunga ämnen, som guld och platina. Det betyder att guldet i dina smycken faktiskt kan komma från en sådan krock.

Konstnärlig bild av två neutronstjärnor som smälter samman in en explosion av ljus och materia — Konstnärs tolkning av en kilonova: två neutronstjärnor spiralerar in och smälter samman, och sprutar ut tunga grundämnen i rymden.Bild: NASA/ESA/CXC/STScI

08

Vanliga missförstånd

Myt

Alla neutronstjärnor är pulsarer.

Sanningen

Bara de vars strålkägla pekar mot jorden syns som pulsarer – de flesta neutronstjärnor är helt tysta för oss.

Myt

Neutronstjärnor är svarta hål fast lite mindre.

Sanningen

De är ett helt annat fenomen: materia som fortfarande existerar i form av neutroner, inte en punkt dold bakom en .

Myt

En skulle suga in jorden om den kom nära.

Sanningen

Dess gravitation på avstånd är densamma som vilken stjärna med samma massa som helst – det är bara nära ytan som den blir extrem.

09

Varför det spelar roll

Neutronstjärnor låter oss studera extrem fysik som vi aldrig kan återskapa här på jorden. De är som naturliga laboratorier ute i rymden.

Genom att studera dem kan vi testa om våra teorier om universum stämmer. De hjälper oss också att förstå varifrån de tunga ämnena vi använder kommer ifrån.

Vissa pulsarer fungerar dessutom som jättenoggranna klockor i rymden som vi kan använda för att navigera och mäta saker.

Neutronstjärnor och pulsarer

Grundidén

En tesked väger ett berg

Bygg din egen neutronstjärna

Jämförelse av densitet

Hur fungerar det egentligen?

1. Bränslet tar slut

2. Kollaps på ett ögonblick

3. Studs och chockvåg

4. Neutronstjärnan föds

5. Snurr och magnetfält bevaras

Fyren på himlen: pulsarer

Lekaren med lighthouse-modellen

Jämförelse av densitet

Hur vet vi det?

Neutronen upptäcks

Baade och Zwicky

Jocelyn Bell Burnell upptäcker pulsarer

Nobelpriset

Millisekundpulsarer

GW170817

Magnetarer – de mest magnetiska objekten

GW170817: när två neutronstjärnor krockade

Vanliga missförstånd

Varför det spelar roll

Gå djupare

Supernovor och var grundämnena kommer ifrån

Gravitationsvågor

Svarta hål

Hur stjärnor föds och dör