Кіріспе

10 миллисекундтан кем айналу периоды бар пульсар

Милисекундтық пульсар (MSP) – айналу периоды шамамен 10 миллисекундтан кем болатын пульсар. Милисекундтық пульсарлар радио, рентген және гамма сәулелерінің электромагниттік спектрінде анықталған. Милисекундтық пульсарлардың пайда болуына қатысты басты гипотеза – олар жақын қосжұлдыздық жүйедегі серік жұлдыздан материяны жинау арқылы айналу жылдамдығы артқан немесе "қайта өңделген" ескі, жылдам айналатын нейтронды жұлдыздар. Осы себепті миллисекундтық пульсарлар кейде қайта өңделген пульсарлар деп аталады. Милисекундтық пульсарлар төмен массалы рентген сәулелі қосжұлдыздық жүйелермен байланысты деп саналады. Бұл жүйелердегі рентген сәулелері нейтрон жұлдызының аккрециялық дискісінен шығарылады, ол серік жұлдыздың Рош лобынан асып қалған сыртқы қабаттарынан пайда болады. Аккреция кезінде бұрыштық импульстің берілуі пульсардың айналу жылдамдығын секундына жүздеген рет дейін арттыра алады, бұл миллисекундтық пульсарларда байқалады. Жақында стандартты эволюциялық модельдің барлық миллисекундтық пульсарлардың, әсіресе салыстырмалы түрде жоғары магниттік өрістері бар жас миллисекундтық пульсарлардың, мысалы PSR B1937+21 эволюциясын толық түсіндіре алмайтындығына дәлелдер бар. Бюлент Кизильтан мен С. Э. Торсетт (UCSC) әр түрлі миллисекундтық пульсарлар кем дегенде екі түрлі процестер арқылы пайда болуы керек екенін көрсетті. Бірақ басқа процестің мәні әлі де құпия. Көптеген миллисекундтық пульсарлар шар тәрізді шоғырларда табылады. Бұл олардың пайда болуының спин-ап гипотезасына сәйкес келеді, себебі мұндай шоғырлардың өте жоғары жұлдыздық тығыздығы пульсардың алып серігіне ие болуының (немесе оны тартып алуының) ықтималдығын арттырады. Қазіргі уақытта шарлы шоғырларда шамамен 130 миллисекундтық пульсар белгілі. Терзан 5 шарлы шоғырында 37 пульсар бар, содан кейін 47 Туканада 22, ал М28 және М15-те әрқайсысында 8 пульсардан кездеседі. Милисекундтық пульсарлар, олардың уақытын жоғары дәлдікпен өлшеуге болады, ондаған жылдар бойы орташа есептелгенде атомдық сағаттарға негізделген уақыт стандарттарымен салыстырылатын тұрақтылыққа ие. Бұл оларды қоршаған ортаны зерттеуге өте сезімтал құралға айналдырады. Мысалы, олардың айналасындағы орбитаға қойылған кез келген зат Жерге келіп түсетін импульстердің уақытында Доплер эффектісін тудырады, оны талдау арқылы серіктің бар екенін анықтауға және жеткілікті деректер болған жағдайда орбита мен нысанның массасын дәл өлшеуге болады. Бұл техника соншалықты сезімтал, тіпті миллисекундтық пульсардың орбитасында жүрген астероидтар сияқты кішкентай нысандарды да анықтауға мүмкіндік береді. "Қалыпты" күн тәрізді жұлдыздардың айналасындағы экзопланеталардың алғашқы анықталуларынан бірнеше жыл бұрын табылған алғашқы расталған экзопланеталар миллисекундтық пульсар PSR B1257+12 орбитасында табылды. Бұл планеталар көптеген жылдар бойы Күн жүйесінен тыс жерде белгілі жалғыз Жер массасы объектілері болып қала берді. Олардың бірі, PSR B1257+12 D, тіпті Айға тең немесе одан кіші массаға ие, және бүгінгі күнге дейін Күн жүйесінен тыс жерде белгілі ең кішкентай нысан болып табылады.

Пульсардың айналу жылдамдығының шектері

Бірінші миллисекундтық пульсар, PSR B1937+21, 1982 жылы Backer және басқалар анықтады. Ол секундына шамамен 641 рет айналып, қазірге дейін табылған 200-ге жуық пульсардың ішінде екінші ең жылдам айналатын миллисекундтық пульсар болып табылады. 2004 жылы ашылған PSR J1748 2446ad пульсары – 2023 жылғы мәліметтер бойынша, секундына 716 рет айналатын ең жылдам пульсар. Нейтронды жұлдыздардың құрылымы мен эволюциясының қазіргі модельдері, пульсарлар секундына 1500 немесе одан да көп айналыммен айналса, ыдырай бастайды деп болжайды, ал секундына 1000 айналымнан жоғары жылдамдықпен гравитациялық сәулелену арқылы энергияны аккреция процесінен гөрі жылдам жоғалтады. 2007 жылдың басында Rossi X-ray Timing Explorer және INTEGRAL ғарыш кемелерінен алынған деректер 1122 Гц жиілікпен айналатын XTE J1739 285 нейтрон жұлдызын анықтады. Бұл нәтиже статистикалық тұрғыдан маңызды емес, тек 3 сигма деңгейінде ғана. Қосымша зерттеулер үшін бұл үміт беретін кандидат болғанымен, қазіргі нәтижелер нақты емес. Дегенмен, гравитациялық сәулелену айналу жылдамдығын баяулатуда маңызды рөл атқарады деп саналады. Секундына 599 айналыммен айналатын IGR J00291+5934 рентген пульсары болашақта мұндай толқындарды анықтауға көмектесетін маңызды үміткер болып табылады (мұндай рентген пульсарларының көпшілігі секундына шамамен 300 айналыммен айналады).

Пулсарлық уақыт арқылы гравитациялық толқындарды анықтау

Гравитациялық толқындар Эйнштейннің жалпы салыстырмалылық теориясының маңызды болжамы болып табылады және материяның ірі қозғалысынан, ерте ғаламдағы флуктуациялардан және кеңістік-уақыттың динамикасынан туындайды. Пульсарлар – жылдам айналатын, жоғары магниттелген нейтронды жұлдыздар, олар массивті жұлдыздардың жойқын жарылыстары кезінде пайда болады. Олар аспан механикасынан бастап, нейтронды жұлдыз сейсмологиясына дейін, күшті гравитациялық өрістің сынақтары мен Галактикалық астрономияға дейінгі көптеген физикалық қолданыстарға ие өте дәл сағаттар ретінде әрекет етеді. Пульсарларды гравитациялық толқын детекторы ретінде пайдалану туралы ұсынысты 1970 жылдардың соңында Сажин мен Детвейлер жасаған. Бұл идея – Күн жүйесінің барицентрі мен алыс пульсарды кеңістіктегі көзге көрінбейтін қарама-қарсы шеттер ретінде қарау. Пульсар қолдың бір шетіндегі эталондық сағат ретінде әрекет етеді, ол Жердегі бақылаушы бақылайтын тұрақты сигналдарды жібереді. Өтіп бара жатқан гравитациялық толқын жергілікті кеңістік-уақыт метрикасын өзгертеді және пульсардың байқалған айналу жиілігінде өзгеріс тудырады. Хеллингс пен Даунс 1983 жылы бұл идеяны пульсарлар массивіне кеңейтіп, гравитациялық толқындардың стохастикалық фоны аспандағы бұрыштық арақашықтықтар функциясы ретінде әртүрлі пульсар жұптары арасындағы төртполярлық корреляцияны тудыратынын анықтады. Бұл жұмыстың сезімталдығы массивтегі пульсар сағаттарының дәлдігі мен тұрақтылығымен шектелген. 1982 жылы алғашқы миллисекундтық пульсар табылғаннан кейін, Фостер мен Бэкер 1990 жылы Хеллингс-Даунс талдауын жоғары тұрақты миллисекундтық пульсарлар массивіне қолдану арқылы гравитациялық толқындарға сезімталдықты арттырды. Цифрлік деректерді жинау жүйелерінің пайда болуы, жаңа радиотелескоптар мен қабылдағыш жүйелері, сондай-ақ көптеген жаңа миллисекундтық пульсарлардың ашылуы халықаралық күш-жігердің алғашқы кезеңдерінде гравитациялық толқындарға пульсар уақыт массивінің сезімталдығын арттырды. Бес жылдық деректерді жариялау, талдау және стохастикалық гравитациялық толқын фонына алғашқы NANOGrav шегі 2013 жылы Деморест және авторлар тобы сипаттады. Одан кейін 2015 жылы тоғыз жылдық және 2018 жылы 11 жылдық деректер жарияланды. Әрқайсысы гравитациялық толқын фонының шегін тарылтты, ал екінші жағдайда Күн жүйесінің барицентрін дәл анықтау әдістері жетілдірілді. 2020 жылы ынтымақтастық 12.5 жылдық деректерді жариялады, онда барлық пульсарлар бойынша ортақ шиеленіс амплитудасы мен спектрлік индексі бар қуат заңдары стохастикалық процесінің күшті дәлелдері болды, бірақ Hellings-Downs төртполярлық кеңістіктік корреляциясы үшін статистикалық тұрғыдан нақты қорытынды жасау мүмкін болмады. 2023 жылдың маусым айында NANOGrav 15 жылдық деректерді жариялады, онда стохастикалық гравитациялық толқын фонының алғашқы дәлелі қамтылған. Атап айтқанда, ол Hellings-Downs қисығының алғашқы өлшемін қамтыды, бұл бақылаулардың гравитациялық толқындық тегінің айқын белгісі.