Kaksoispulsari on pulsari, jolla on kaksoistähti, usein valkoinen kääpiö tai neutronitähti. Ainakin yhdessä tapauksessa, kaksoispulsarissa PSR J0737-3039, seuralustähti on myös toinen pulsari. Kaksoispulsarit syntyvät yleensä massiivisista kaksoistähtijärjestelmistä, joissa ainakin toinen tähti on kokenut supernovan ja jäänyt jäljelle neutronitähdeksi. Järjestelmän kehitykseen voi liittyä massansiirtoa ja "recycling"-vaihe, jolloin pulsari kiihdyttää pyörimisnopeuttaan ja muodostuu nopeasti pyörivä millisekuntipulsari. Koska kumppani voi olla valkoinen kääpiö, neutronitähti tai joskus harvemmin muu tähti, kaksoispulsareita on erilaisia riippuen järjestelmän massoista ja kiertoaikasta.

Miten kaksoispulsarit havaitaan ja mitataan

Pulsarin jaksot ovat radioaalloilla havaittavia, hyvin säännöllisiä pulssijonoja. Pulsarin pulssien ajoitus voidaan mitata poikkeuksellisen tarkasti radioteleskoopeilla — usein mikrosekunnin tarkkuudella tai paremmalla pitkissä ajoituskampanjoissa. Tällainen ajoitustarkkuus antaa mahdollisuuden erotella hyvin pieniä muutoksia pulssien ajoissa, jotka johtuvat esimerkiksi pulsarin liikkeestä, systeemin kehäistä relativistisistä efekteistä tai gravitaation säteilystä.

Tutkimuksen merkitys suhteellisuusteorian ja gravitaation kannalta

Kaksoispulsarit ovat yksi harvoista luonnonlaboratorioista, joissa voidaan testata yleistä suhteellisuusteoriaa voimakkaan gravitaatiokentän olosuhteissa. Toisin kuin aurinkokunnan kokeet (heikko kenttä), kaksoispulsarit tarjoavat näkymän niin kutsuttuun vahvan kentän regimeen, jossa spinaaliset ja ei-lineaariset gravitatiiviset ilmiöt ovat mitattavissa.

Kaksoispulsarin ajoitus on epäsuorasti vahvistanut gravitaatiosäteilyn olemassaolon ja vahvistanut Einsteinin yleisen suhteellisuusteorian. Tunnetuin esimerkki on PSR B1913+16 (Hulse–Taylorin kaksoispulsari), jonka kiertokulman kutistuminen vastaa tarkasti gravitaatiosäteilyn aiheuttamaa energiahäviötä; löydöstä myönnettiin Nobelin fysiikan palkinto vuonna 1993. Myöhemmin löydetyt järjestelmät, erityisesti PSR J0737-3039 jossa molemmat objektit ovat pulsareita, ovat mahdollistaneet entistä monipuolisemmat ja tiukemmat testit.

Mitä relativistisia ilmiöitä kaksoispulsareissa mitataan?

  • Periastronin edistymä — kierron ellipseissä läpimenokohdan (periastronin) kulman muutos ajan kuluessa, jonka nopeus voidaan vertailla suhteellisuusteorian ennusteisiin.
  • Orbitaalinen aikaviive (Shapiro-viive) — pulssien kulkuajassa havaittava lisäviive, kun pulssit kulkevat kumppanin lähellä ja kokevat gravitaatiollisen aika-komponentin venytyksen.
  • Gravitaatiollinen punasiirtymä ja aika-dilataatio — kiertoliikkeen aiheuttamat ajansiirrot, usein mitattu parametrina gamma.
  • Orbitaalinen kutistuminen / lähettävän gravitaation säteily — järjestelmän kiertoaika lyhenee ajan myötä, mikä vastaa energiaa pois vievän gravitaatiosäteilyn ennusteita.
  • Geodeettinen precessio ja spin-orbit -kytkentä — pulsarin pyörimisakselin esipcessio, joka näkyy pulssiprofiilin muuttumisena ajan kuluessa.

Mitä seuraavaksi ja muut sovellukset

Kaksoispulsarit auttavat myös määrittämään neutronitähtien massoja ja siten rajoittamaan tiheän aineen tilaa (equation of state). PSR J0737-3039:n kaltaiset järjestelmät ovat erityisen arvokkaita, koska kaksi pulssia antavat suoran massasuhteen mittauksen ja mahdollistavat monen relativistisen parametrin ristivertailun samalla järjestelmällä. Lisäksi laajat pulsarien ajoitusverkostot (pulsar timing arrays) pyrkivät havaitsemaan matalataajuisia taustagravitaatioaaltoja käyttämällä monien pulsarien ajoituksen yhtäaikaista seurantaa; vaikka tämä on eri mittakaava kuin yksittäisten kaksoispulsarien testit, se hyödyntää samaa tarkkaa ajoitusmenetelmää.

Yhteenvetona, kaksoispulsarit tarjoavat ainutlaatuisen ja erittäin tarkan keinon tutkia gravitaatiota vahvassa kentässä, testata vaihtoehtoisia gravitaatioteorioita ja mitata neutronitähtien perusominaisuuksia. Niiden havainnoista saadut tulokset ovat olleet keskeisiä nykyaikaisen gravitaation ymmärrykselle.