Kaksoispulsari
Kaksoispulsari on pulsari, jolla on kaksoistähti, usein valkoinen kääpiö tai neutronitähti. Ainakin yhdessä tapauksessa, kaksoispulsarissa PSR J0737-3039, seuralustähti on myös toinen pulsari.
Kaksoispulsarit ovat yksi harvoista kohteista, joiden avulla fyysikot voivat testata yleistä suhteellisuusteoriaa voimakkaan gravitaatiokentän tapauksessa. Vaikka pulsarin kaksoiskumppania on yleensä vaikea tai mahdoton havaita, pulsarin pulssien ajoitus voidaan mitata poikkeuksellisen tarkasti radioteleskoopeilla. Kaksoispulsarin ajoitus on epäsuorasti vahvistanut gravitaatiosäteilyn olemassaolon ja vahvistanut Einsteinin yleisen suhteellisuusteorian.
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.
