Binarni pulzar - test splošne relativnosti in dokaz gravitacijskih valov
Binarni pulzar kot naravni laboratorij: kako opazovanja dvojnih pulzarjev potrjujejo Einsteinovo splošno relativnost in dokazujejo obstoj gravitacijskih valov.
Binarni pulzar je pulzar z binarno spremljevalko, pogosto belo pritlikavko ali nevtronsko zvezdo. V vsaj enem primeru, pri dvojnem pulzarju PSR J0737-3039, je spremljevalna zvezda tudi drug pulzar.
Binarni pulzarji so eden redkih objektov, ki fizikom omogočajo, da preverijo splošno relativnost v primeru močnega gravitacijskega polja. Čeprav je dvojnega spremljevalca pulzarja običajno težko ali nemogoče opazovati, pa je mogoče z radijskimi teleskopi izredno natančno izmeriti čas pulzov iz pulzarja. Časovna opredelitev dvojnega pulzarja je posredno potrdila obstoj gravitacijskega sevanja in preverila Einsteinovo splošno teorijo relativnosti.
Opazovanja in natančnost meritev
Pulzarji oddajajo izredno redne radijske pulze, ki jih radijski teleskopi merijo kot čas prihoda pulza (time of arrival, TOA). Analiza serije teh časov s pomočjo natančnega modela rotacije in gibanja pulzarja omogoča določitev orbitalnih parametrov sistema z izjemno nizko napako. Te metode, znane kot pulzar timing, izmerijo tako osnovne Keplerjeve parametre kot tudi dodatne relativistične popravke (t. i. post-Keplerjeve parametre).
Relativistični učinki, ki jih zaznamo pri binarnih pulzarjih
Binarni pulzarji kažejo več merljivih relativističnih pojavov, med katerimi so najpomembnejši:
- Napredovanje periastrona (ω̇) — relativistično premikanje točke najbližjega prileganja v orbiti, analogno napredovanju perihelija Merkurja, vendar pri binarnih pulzarjih pogosto veliko večje.
- Gravitacijski rdeči zamik in časovna dilatacija (parameter γ) — kombiniran efekt zamika frekvence in posebne relativnosti zaradi različnih hitrostih in globine potenciala ob različnih delih orbite.
- Orbitalno krčenje (Ṗb) — izguba orbitalne energije zaradi izsevanja gravitacijskih valov vodi k skrajševanju orbitalnega obdobja; to je bila prva neposredna atmosfera, ki je posredno potrdila obstoj gravitacijskih valov.
- Shapirojev zamik — dodatna zamuda prihoda pulza, ko signal potuje skozi močno gravitacijsko polje spremljevalca; iz njegove oblike se lahko izpeljejo naklon orbite in masa spremljevalca.
- Relativistična precesija vrtenja — sprememba usmerjenosti osi vrtenja pulzarja (geodetska precesija), kar lahko povzroči opazne spremembe profila pulzov skozi leta.
Ključni primeri in zgodovina
Prvi odkriti binarni pulzar PSR B1913+16 (Hulse–Taylor, 1974) je pokazal orbitalno krčenje v skladu z napovedmi splošne relativnosti in za to odkritje je bila podeljena Nobelova nagrada. Leta kasneje je PSR J0737-3039, edinstven dvojni pulzar, kjer sta oba člena sistema opazna kot pulzarja, omogočil še natančnejše teste relativističnih učinkov, ker daje več neodvisnih meritev istih parametrov.
Rezultati testov in omejitve teorij
Meritve binarnih pulzarjev so preverile splošno relativnost v močnih gravitacijskih poljih z zelo visoko natančnostjo — v mnogih primerih z odstopanji le v razredu delcev odstotka. Poleg potrditve emisije gravitacijskih valov te meritve tudi omejujejo alternative splošni relativnosti in postavljajo meje parametrom teorij gravitacije v močni (»strong-field«) regiji.
Pomen za astrofiziko in prihodnje raziskave
Binarni pulzarji so pomembni za več področij: natančne določbe mas nevtronskih zvezd pomagajo omejiti enačbo stanja goste snovi v notranjosti nevtronskih zvezd; meritve orbitem omogočajo vpogled v nastanek dvojnih kompaktnih sistemov; dolgoročno spremljanje omogoča opazovanje relativističnih efektov v realnem času. Prihodnje radijske opazovalne zmogljivosti (npr. SKA) bodo še povečale natančnost timing meritev in omogočile odkritje novih sistemov, kar bo še dodatno obogatilo teste gravitacije in fizike jedrskih gostot.
Relativnost
Dve telesi se ne gibljeta po popolnoma krožnih poteh, temveč sta njuni poti skoraj vedno eliptični. Tako sta si dvakrat na krog najbližje in dvakrat na krog najbolj oddaljena. To je očitno za Zemljo in Sonce, vendar ta ideja velja tudi širše.
Ko sta telesi blizu, je gravitacijsko polje močnejše in čas teče počasneje. Pri pulzarjih se čas med posameznimi impulzi (ali utripi) podaljša. Ko ura pulzarja počasneje potuje skozi najšibkejši del magnetnega polja, se ji čas povrne. To je relativistična časovna zakasnitev. Gre za razliko med tem, kar bi pričakovali, da bi videli, če bi se pulzar gibal s konstantno razdaljo in hitrostjo okoli svojega spremljevalca, in tem, kar dejansko opazimo.
Binarni pulzarji so eno od redkih orodij, ki jih imajo znanstveniki na voljo za odkrivanje gravitacijskih valov. Einsteinova splošna teorija relativnosti predvideva, da bi dve nevtronski zvezdi oddajali gravitacijske valove, ko krožita okoli skupnega masnega središča, kar bi odnašalo orbitalno energijo in povzročilo, da bi se zvezdi približali druga drugi. Ko se zvezdni telesi približujeta drug drugemu, pogosto en pulzar absorbira snov iz drugega, kar povzroči silovit proces akrecije. Ta interakcija lahko segreje plin, ki se izmenjuje med telesoma, in proizvede rentgensko svetlobo, ki se lahko zdi pulzirajoča, zato se dvojne pulzarje občasno označuje kot rentgenske dvojne zvezde. Ta tok snovi z enega zvezdnega telesa na drugo je znan kot akrecijski disk. Milisekundni pulzarji (ali MSP) ustvarjajo nekakšen "veter", ki lahko v primeru dvojnih pulzarjev odpihne magnetosfero nevtronskih zvezd in dramatično vpliva na oddajanje pulzov.
Zgodovina
Prvi dvojni pulzar, PSR B1913+16 ali "dvojni pulzar Hulse-Taylor", sta leta 1974 v Arecibu odkrila Joseph Taylor in Russell Hulse, za kar sta leta 1993 prejela Nobelovo nagrado za fiziko. Od odkritja tega sistema so impulze iz njega brez napak sledili z natančnostjo 15 μs.
Nobelovo nagrado sta leta 1993 prejela Joseph Taylor in Russell Hulse, ko sta odkrila dve taki zvezdi. Ko je Hulse opazoval nov pulzar z imenom PSR B1913+16, je opazil, da frekvenca njegovega pulziranja niha. Ugotovil je, da je najpreprostejša razlaga, da pulzar z veliko hitrostjo kroži okoli druge zvezde. Hulse in Taylor sta z opazovanjem teh nihanj pulzov ugotovila, da sta zvezdi enako težki, kar ju je napeljalo na misel, da je drugi prostorski objekt prav tako nevtronska zvezda.
Opazovanja razpadanja orbite tega zvezdnega sistema so se skoraj popolnoma ujemala z Einsteinovimi enačbami. Relativnost predvideva, da se bo energija orbitalnega sistema sčasoma pretvorila v gravitacijsko sevanje. Podatki, ki so jih zbrali Taylor in njegovi sodelavci o orbitalni periodi PRS B1913+16, so potrdili to relativistično napoved. Leta 1983 sta poročala, da se je opazovana najmanjša razdalja med obema pulzarjema razlikovala od pričakovane, če bi orbitalna razdalja ostala konstantna. V desetletju po odkritju se je orbitalna perioda sistema zmanjšala za približno 76 milijonink sekunde na leto. To pomeni, da se je pulzar približal največji razdalji več kot sekundo prej, kot bi se, če bi orbiti ostali enaki. Kasnejša opazovanja še vedno kažejo to zmanjšanje.
Kumulativni premik periastronske periode v sekundah za sistem dvojne zvezde PSR B1913+16, ko sistem izgublja energijo zaradi oddajanja gravitacijskih valov. Rdeče točke so eksperimentalni podatki, modra črta pa je premik, ki ga napoveduje relativnost.
Vprašanja in odgovori
V: Kaj je binarni pulzar?
O: Binarni pulzar je pulzar z binarno spremljevalko, pogosto belo pritlikavko ali nevtronsko zvezdo.
V: Kaj je spremljevalna zvezda binarnega pulzarja?
O: Spremljevalna zvezda dvojnega pulzarja je pogosto bela pritlikavka ali nevtronska zvezda, v vsaj enem primeru (dvojni pulzar PSR J0737-3039) pa je spremljevalna zvezda tudi drug pulzar.
V: Kakšen je pomen dvojnih pulzarjev v fiziki?
O: Dvojni pulzarji so v fiziki pomembni, ker fizikom omogočajo preizkušanje splošne teorije relativnosti v primeru močnega gravitacijskega polja.
V: Ali je mogoče opazovati zvezdo spremljevalko dvojnega pulzarja?
O: Običajno je spremljevalno zvezdo pulzarja težko ali nemogoče opazovati.
V: Kako lahko izmerimo časovno usklajenost impulzov dvojnega pulzarja?
O: Časovno usklajenost impulzov binarnega pulzarja je mogoče izredno natančno izmeriti z radijskimi teleskopi.
V: Kaj je posredno potrdilo določanje časa dvojnega pulzarja?
O: Merjenje časa dvojnega pulzarja je posredno potrdilo obstoj gravitacijskega sevanja.
V: Katero teorijo je potrdilo merjenje časa binarnega pulzarja?
O: Časovna opredelitev binarnih pulzarjev je potrdila Einsteinovo splošno teorijo relativnosti.
Iskati