Bináris pulzár (kettős pulzár): definíció, szerep az általános relativitásban
Ismerje meg a bináris (kettős) pulzárok definícióját, precíz időzítésük szerepét az általános relativitás tesztelésében és a gravitációs sugárzás bizonyításában.
A bináris pulzár olyan pulzár, amelynek van egy kettős kísérője, gyakran egy fehér törpe vagy neutroncsillag. Legalább egy esetben, a PSR J0737-3039 kettős pulzár esetében a kísérőcsillag is egy másik pulzár.
A kettős pulzárok azon kevés objektumok közé tartoznak, amelyek lehetővé teszik a fizikusok számára az általános relativitáselmélet tesztelését erős gravitációs mező esetén. Bár a pulzár kettős kísérőjét általában nehéz vagy lehetetlen megfigyelni, a pulzárból származó impulzusok időzítése rádióteleszkópokkal rendkívüli pontossággal mérhető. A kettős pulzárok időmérése közvetve igazolta a gravitációs sugárzás létezését és igazolta Einstein általános relativitáselméletét.
Mit jelent ez a gyakorlatban?
A bináris pulzár olyan rendszert jelent, ahol a pulzár és kísérője egymás körül keringenek. A pulzár periodikus rádióimpulzusai (vagy más hullámhosszú jelei) rendkívül stabil időjelekként szolgálnak: az egyes impulzusok érkezési idejét (time of arrival, TOA) akár mikroszekundumos vagy annál jobb pontossággal mérni lehet. Az eltérések (timing residualok) és azok rendszerezett viselkedése közvetlen információt adnak a kettős rendszer mozgásáról és a gravitációs kölcsönhatásokról.
Fizikai jelenségek és relativisztikus hatások
- Periasztron előrehaladás: a periasztron (az ellipszis legközelebbi pontja) helyzetének időbeli változása, melyet a megfigyelések gyakran pontosan mérnek és összevetnek az általános relativitáselmélet előrejelzéseivel.
- Orbitalis fékeződés (orbital decay): a rendszer pályája lassan összehúzódhat, mert energia távozik gravitációs sugárzás formájában — ez az elsődleges bizonyítéka annak, hogy létezik gravitációs hullámkibocsátás.
- Shapiro-időcsúszás: a pulzusok érkezési idejének késése, amikor a jel a kísérő gravitációs terén halad keresztül; ebből a késésből a komponensek tömege pontosan meghatározható.
- Gravitációs vöröseltolódás és speciális relativisztikus korrekciók: a pulzusok frekvenciája és érkezési ideje változik a pályapozíció és a sebesség függvényében.
- Geodetikus precesszió: a pulzár forgástengelyének lassú előcessziója, amely megváltoztathatja a megfigyelt impulzusszerkezetet az időben.
Kialakulás és fejlődés
A bináris pulzárok kialakulása általában kettős csillagok fejlődési folyamatához kötődik. Egy tipikus forgatókönyvben a rendszerben lévő nagy tömegű csillagok egymás után szupernóvaként felrobbanhatnak, neutroncsillagokat vagy fekete lyukakat hagyva maguk után. Ha egy neutroncsillag anyagot kap a kísérőről (akkréció), akkor felgyorsulhat és millimásodperces forgású, úgynevezett „recycled” (újrafeltöltött) pulzárrá válhat. A szupernóva-kitörésekhez társuló „kick” sebességek és tömegváltozások meghatározzák, hogy a rendszer megmarad-e kötött kettősnek.
Megfigyelés és időzítés
A rádióteleszkópokkal végzett precíz időzítések (pulsar timing) a legfontosabb módszer bináris pulzárok vizsgálatára. Az ismétlődő mérésekből nyert TOA-kat modellezni kell: a modell tartalmazza a pulzár forgását, a pályára vonatkozó paramétereket, a plazma- és troposzférikus hatásokat, valamint relatív koriogén és gravitációs korrekciókat. A jól illeszkedő modell és a mért adatok közti eltérések új fizikai hatásokat vagy hiányzó komponenseket tárhatnak fel.
Tudományos és gyakorlati jelentőség
- Általános relativitás próbatétele: a bináris pulzárok a legerősebb gravitációs mezőben működő laboratóriumok közé tartoznak; többször is összhangot találtak az általános relativitás előrejelzéseivel.
- Tömegmérések: a Shapiro-késés és más relativisztikus jelek segítségével a csillagok tömegét nagy pontossággal meg lehet adni, ami fontos a neutroncsillagok belső szerkezetének és az anyagi állapotegyenleteknek (EOS) vizsgálatához.
- Gravitációs hullámok indirekt és közvetlen kapcsolatban: a bináris pulzárok időbeli pályaváltozása közvetetten jelezte a gravitációs sugárzás létezését, és szolgáltatnak referencia-rendszert az interferométeres detektorokkal talált jelek összevetéséhez.
- Alternatív gravitációelméletek tesztelése: a pontos időzítések korlátozzák az alternatív elméletek paramétereit, mert sok elmélet máshogy jósolná a pálya- vagy időzítési effektusokat.
Kihívások
A bináris pulzárok megfigyelésekor gyakran nehéz a kísérő közvetlen detektálása — különösen, ha az halvány fehér törpe vagy éppen egy sötét kompakt objektum. Emellett a rádiójeleket befolyásolja a csillagközi anyag, a kinyalódó anyag az akkréciós korongból, valamint a ritka, de jelentős pulzustorzulások (glitchek). A pontos modellszámítás és a hosszú távú megfigyelések elengedhetetlenek a megbízható következtetésekhez.
Összefoglalva: a bináris pulzárok fontos természetes laboratóriumok a gravitációs fizika, a csillagfejlődés és a neutroncsillag-szerkezet vizsgálatára. Pontos időzítésük segítségével mélyreható kísérleti tesztek végezhetők az általános relativitáselmélet és más alapvető fizikai elméletek ellenőrzésére.
Relativity
Két objektum keringése nem teljesen kör alakú pályán történik, hanem gyakorlatilag mindig ellipszis alakú. Tehát egy körön kétszer vannak a legközelebb, és kétszer a legtávolabb. Ez nyilvánvaló a Föld és a Nap esetében, de az elképzelés sokkal szélesebb körben alkalmazható.
Ha a két test közel van egymáshoz, a gravitációs mező erősebb, és az idő múlása lelassul. A pulzárok esetében az impulzusok (vagy tikkek) közötti idő meghosszabbodik. Ahogy a pulzáróra lassabban halad át a mező leggyengébb részén, úgy nyeri vissza az időt. Ez egy relativisztikus időkésés. Ez a különbség aközött, amit akkor várnánk, ha a pulzár állandó távolságban és sebességgel mozogna a kísérője körül, és aközött, amit ténylegesen megfigyelünk.
A kettős pulzárok egyike azon kevés eszközöknek, amelyekkel a tudósok a gravitációs hullámok kimutatására alkalmasak. Einstein általános relativitáselmélete azt jósolja, hogy két neutroncsillag gravitációs hullámokat bocsát ki, amikor közös tömegközéppontjuk körül keringenek, ami elviszi a keringési energiát, és a két csillagot közelebb hozza egymáshoz. Ahogy a két égitest közelebb kerül egymáshoz, gyakran az egyik pulzár anyagot szív el a másikból, ami heves akkréciós folyamatot okoz. Ez a kölcsönhatás felmelegítheti az égitestek között kicserélődő gázt, és röntgenfényt hozhat létre, amely pulzálónak tűnhet, ami miatt a kettős pulzárokat időnként röntgenkettősöknek nevezik. Az anyagnak az egyik égitestből a másikba történő áramlását akkréciós korongnak nevezzük. A milliszekundumos pulzárok (vagy MSP-k) egyfajta "szelet" hoznak létre, amely a kettős pulzárok esetében elfújhatja a neutroncsillagok magnetoszféráját, és drámai hatással lehet a pulzuskibocsátásra.
Történelem
Az első kettős pulzárt, a PSR B1913+16-ot vagy "Hulse-Taylor kettős pulzárt" 1974-ben fedezte fel az Arecibón Joseph Taylor és Russell Hulse, amiért 1993-ban fizikai Nobel-díjat kaptak. A rendszerből származó impulzusokat a felfedezés óta 15 μs pontossággal, hiba nélkül követik.
Az 1993-as Nobel-díjat Joseph Taylor és Russell Hulse kapta, miután felfedeztek két ilyen csillagot. Miközben Hulse egy új, PSR B1913+16 nevű pulzárt figyelt meg, észrevette, hogy a pulzálás frekvenciája ingadozik. Arra a következtetésre jutottak, hogy a legegyszerűbb magyarázat az, hogy a pulzár egy másik csillag körül kering nagyon szoros, nagy sebességgel. Hulse és Taylor e pulzációs ingadozások megfigyeléséből megállapította, hogy a csillagok egyformán nehezek, ami arra engedte őket következtetni, hogy a másik térbeli objektum szintén neutroncsillag.
A csillagrendszer keringési pályájának bomlására vonatkozó megfigyelések szinte tökéletesen megfeleltek Einstein egyenleteinek. A relativitáselmélet azt jósolja, hogy egy kettős csillagrendszer keringési energiája idővel gravitációs sugárzássá alakul át. A Taylor és munkatársai által a PRS B1913+16 keringési idejéről gyűjtött adatok alátámasztották ezt a relativisztikus előrejelzést. Ők 1983-ban arról számoltak be, hogy a két pulzár megfigyelt minimális távolsága különbözik attól, amit akkor vártak volna, ha a keringési távolság állandó maradt volna. A felfedezést követő évtizedben a rendszer keringési ideje évente mintegy 76 milliomod másodperccel csökkent. Ez azt jelenti, hogy a pulzár több mint egy másodperccel korábban közelítette meg a maximális távolságot, mintha a pálya változatlan maradt volna. A későbbi megfigyelések továbbra is ezt a csökkenést mutatják.
A PSR B1913+16 kettős csillagrendszer periastron-periódusának kumulatív eltolódása másodpercekben, ahogy a rendszer gravitációs hullámok kibocsátásával energiát veszít. A piros pontok a kísérleti adatok, a kék vonal pedig a relativitáselmélet által megjósolt eltolódás.
Kérdések és válaszok
K: Mi az a bináris pulzár?
V: A bináris pulzár olyan pulzár, amelynek van egy kettős kísérője, gyakran egy fehér törpe vagy neutroncsillag.
K: Mi a kísérőcsillaga egy bináris pulzárnak?
V: A kettős pulzár kísérőcsillaga gyakran fehér törpe vagy neutroncsillag, de legalább egy esetben (a kettős pulzár PSR J0737-3039) a kísérőcsillag egy másik pulzár is.
K: Mi a jelentősége a kettős pulzároknak a fizikában?
V: A kettős pulzárok azért jelentősek a fizikában, mert lehetővé teszik a fizikusok számára az általános relativitáselmélet tesztelését erős gravitációs mező esetén.
K: Megfigyelhető-e egy kettős pulzár kísérőcsillaga?
V: Általában a pulzár kísérőcsillagát nehéz vagy lehetetlen megfigyelni.
K: Hogyan lehet mérni egy kettős pulzár impulzusainak időzítését?
V: A kettős pulzárok impulzusainak időzítése rádióteleszkópokkal rendkívüli pontossággal mérhető.
K: Mit igazolt közvetve a bináris pulzárok időzítése?
V: A bináris pulzárok időzítése közvetve megerősítette a gravitációs sugárzás létezését.
K: Milyen elméletet igazolt a bináris pulzárok időmérése?
V: A bináris pulzárok időmérése igazolta Einstein általános relativitáselméletét.
Keres