Kaksoispulsarit: binääripulsarit ja suhteellisuusteorian testit
Tutustu kaksoispulsareihin ja binääripulsareihin: kuinka tarkka pulssiajoitus paljastaa gravitaation, gravitaatioaallot ja testaa Einsteinin yleistä suhteellisuusteoriaa.
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.
Relatiivisuus
Kahden kappaleen kiertorata ei ole täysin ympyränmuotoinen, vaan se on lähes aina elliptinen. Eli kaksi kertaa ympyrän aikana ne ovat lähimpänä toisiaan ja kaksi kertaa ympyrän aikana ne ovat kauimpana toisistaan. Tämä on ilmeistä Maan ja Auringon kohdalla, mutta ajatus pätee paljon laajemminkin.
Kun kappaleet ovat lähellä toisiaan, painovoimakenttä on voimakkaampi ja ajan kuluminen hidastuu. Pulsareiden kohdalla pulssien (tai tikkien) välinen aika pitenee. Kun pulsarin kello kulkee hitaammin kentän heikoimman osan läpi, se saa aikaa takaisin. Tämä on relativistinen aikaviive. Se on ero sen välillä, mitä voisi odottaa näkevänsä, jos pulsari liikkuisi vakioetäisyydellä ja -nopeudella seuralaisensa ympärillä, ja sen välillä, mitä todellisuudessa havaitaan.
Kaksoispulsarit ovat yksi niistä harvoista välineistä, joita tutkijoilla on käytettävissään gravitaatioaaltojen havaitsemiseen. Einsteinin yleisen suhteellisuusteorian mukaan kaksi neutronitähteä säteilee gravitaatioaaltoja kiertäessään yhteistä massakeskusta, mikä vie kiertäenergiaa ja saa tähdet lähestymään toisiaan. Kun nämä kaksi tähtikappaletta lähestyvät toisiaan, usein toinen pulsari imee materiaa toisesta, mikä aiheuttaa väkivaltaisen akkrektioprosessin. Tämä vuorovaikutus voi lämmittää kappaleiden välillä vaihtuvaa kaasua ja tuottaa röntgensäteilyä, joka voi näyttää sykkivältä, minkä vuoksi kaksoispulsareista käytetään toisinaan nimitystä röntgenkaksoispulsarit. Tätä aineen virtausta tähtikappaleesta toiseen kutsutaan akkrektiokiekoksi. Millisekunnin pulsarit (tai MSP:t) synnyttävät eräänlaisen "tuulen", joka kaksoispulsareiden tapauksessa voi puhaltaa pois neutronitähtien magnetosfäärin ja vaikuttaa dramaattisesti pulssiemissioon.
Historia
Ensimmäisen kaksoispulsarin, PSR B1913+16:n eli "Hulse-Taylor-kaksoispulsarin" löysivät Joseph Taylor ja Russell Hulse vuonna 1974 Arecibossa, mistä he saivat fysiikan Nobel-palkinnon vuonna 1993. Tämän järjestelmän pulsseja on seurattu ilman häiriöitä 15 μs:n tarkkuudella sen löytämisen jälkeen.
Vuoden 1993 Nobel-palkinto myönnettiin Joseph Taylorille ja Russell Hulseille heidän löydettyään kaksi tällaista tähteä. Hulse tarkkaili uutta pulsaria, nimeltään PSR B1913+16, ja huomasi, että sen pulssitaajuus vaihteli. Hulse päätteli, että yksinkertaisin selitys oli, että pulsari kiersi toista tähteä hyvin tiiviisti ja suurella nopeudella. Hulse ja Taylor päättelivät, että tähdet olivat yhtä raskaita havainnoimalla näitä pulssin vaihteluita, mikä sai heidät uskomaan, että toinen avaruudellinen kohde oli myös neutronitähti.
Tämän tähtijärjestelmän kiertoradan hajoamisesta tehdyt havainnot vastasivat lähes täydellisesti Einsteinin yhtälöitä. Suhteellisuusteoria ennustaa, että ajan mittaan kaksoistähtijärjestelmän radan energia muuttuu gravitaatiosäteilyksi. Taylorin ja hänen kollegoidensa keräämät tiedot PRS B1913+16:n kiertoradan kestosta tukivat tätä relativistista ennustetta. He raportoivat vuonna 1983, että kahden pulsarin havaitussa minimietäisyydessä oli eroa verrattuna siihen, mitä odotettiin, jos kiertoradan etäisyys olisi pysynyt vakiona. Järjestelmän löytämistä seuranneen vuosikymmenen aikana sen kiertoaika oli lyhentynyt noin 76 miljoonasosasekunnilla vuodessa. Tämä tarkoittaa, että pulsari lähestyi maksimietäisyyttään yli sekunnin aikaisemmin kuin se olisi tehnyt, jos kiertorata olisi pysynyt samana. Myöhemmät havainnot osoittavat edelleen tämän vähenemisen.
Kaksoistähtijärjestelmän PSR B1913+16 kumulatiivinen siirtymä periastronin jaksossa sekunneissa, kun järjestelmä menettää energiaa gravitaatioaaltopäästöjen vuoksi. Punaiset pisteet ovat kokeellista dataa, ja sininen viiva on suhteellisuusteorian ennustama siirtymä.
Kysymyksiä ja vastauksia
K: Mikä on binäärinen pulsari?
A: Kaksoispulsari on pulsari, jolla on kaksoiskumppani, usein valkoinen kääpiö tai neutronitähti.
K: Mikä on kaksoispulsarin seuralustähti?
V: Kaksoispulsarin seuralustähti on usein valkoinen kääpiö tai neutronitähti, mutta ainakin yhdessä tapauksessa (kaksoispulsari PSR J0737-3039) seuralustähti on myös toinen pulsari.
Kysymys: Mikä on kaksoispulsareiden merkitys fysiikassa?
V: Kaksoispulsareilla on merkitystä fysiikassa, koska niiden avulla fyysikot voivat testata yleistä suhteellisuusteoriaa voimakkaan gravitaatiokentän tapauksessa.
Kysymys: Onko mahdollista havaita kaksoispulsarin seuralustähti?
V: Tavallisesti pulsarin seuralustähteä on vaikea tai mahdoton havaita.
K: Miten kaksoispulsarin pulssien ajoitus voidaan mitata?
V: Kaksoispulsarin pulssien ajoitus voidaan mitata poikkeuksellisen tarkasti radioteleskoopeilla.
K: Mitä binääripulsarin ajoitus on epäsuorasti vahvistanut?
V: Kaksoispulsarin ajoitus on epäsuorasti vahvistanut gravitaatiosäteilyn olemassaolon.
K: Minkä teorian binääripulsarin ajoitus on vahvistanut?
V: Binääripulssarin ajoitus on vahvistanut Einsteinin yleisen suhteellisuusteorian.
Etsiä