10 Миллисекундтік Пульсарлар және Олардың Қалыптасуы
Millisecond pulsar
Миллисекундтық пульсарлар – бұл 10 миллисекундтан кем айналу периоды бар жылдыздық қалдықтар. Жоғары жиілікті, қайта өңделген пульсарлар туралы біліңіз!
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
10 миллисекундтан кем айналу периоды бар пульсар
Pulsar with a rotational period less than about 10 milliseconds
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.
A millisecond pulsar (MSP) is a pulsar with a rotational period less than about 10 milliseconds. Millisecond pulsars have been detected in radio, X ray, and gamma ray portions of the electromagnetic spectrum. The leading hypothesis for the origin of millisecond pulsars is that they are old, rapidly rotating neutron stars that have been spun up or "recycled" through accretion of matter from a companion star in a close binary system. For this reason, millisecond pulsars are sometimes called recycled pulsars. Millisecond pulsars are thought to be related to low mass X ray binary systems. It is thought that the X rays in these systems are emitted by the accretion disk of a neutron star produced by the outer layers of a companion star that has overflowed its Roche lobe. The transfer of angular momentum from this accretion event can increase the rotation rate of the pulsar to hundreds of times per second, as is observed in millisecond pulsars. There has been recent evidence that the standard evolutionary model fails to explain the evolution of all millisecond pulsars, especially young millisecond pulsars with relatively high magnetic fields, e. g. PSR B1937+21. Bülent Kiziltan and S. E. Thorsett (UCSC) showed that different millisecond pulsars must form by at least two distinct processes. But the nature of the other process remains a mystery. Many millisecond pulsars are found in globular clusters. This is consistent with the spin up hypothesis of their formation, as the extremely high stellar density of these clusters implies a much higher likelihood of a pulsar having (or capturing) a giant companion star. Currently there are approximately 130 millisecond pulsars known in globular clusters. The globular cluster Terzan 5 contains 37 of these, followed by 47 Tucanae with 22 and M28 and M15 with 8 pulsars each. Millisecond pulsars, which can be timed with high precision, have a stability comparable to atomic clock based time standards when averaged over decades. This also makes them very sensitive probes of their environments. For example, anything placed in orbit around them causes periodic Doppler shifts in their pulses' arrival times on Earth, which can then be analyzed to reveal the presence of the companion and, with enough data, provide precise measurements of the orbit and the object's mass. The technique is so sensitive that even objects as small as asteroids can be detected if they happen to orbit a millisecond pulsar. The first confirmed exoplanets, discovered several years before the first detections of exoplanets around "normal" solar like stars, were found in orbit around a millisecond pulsar, PSR B1257+12. These planets remained, for many years, the only Earth mass objects known outside of the Solar System. One of them, PSR B1257+12 D, has an even smaller mass, comparable to that of the Moon, and is still today the smallest mass object known beyond the Solar System.
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).
The first millisecond pulsar, PSR B1937+21, was discovered in 1982 by Backer et al. Spinning roughly 641 times per second, it remains the second fastest spinning millisecond pulsar of the approximately 200 that have been discovered. Pulsar PSR J1748 2446ad, discovered in 2004, is the fastest spinning pulsar known, as of 2023, spinning 716 times per second. Current models of neutron star structure and evolution predict that pulsars would break apart if they spun at a rate of c. 1500 rotations per second or more, and that at a rate of above about 1000 rotations per second they would lose energy by gravitational radiation faster than the accretion process would accelerate them. In early 2007 data from the Rossi X ray Timing Explorer and INTEGRAL spacecraft discovered a neutron star XTE J1739 285 rotating at 1122 Hz. The result is not statistically significant, with a significance level of only 3 sigma. While it is an interesting candidate for further observations, current results are inconclusive. Still, it is believed that gravitational radiation plays a role in slowing the rate of rotation. One X ray pulsar that spins at 599 revolutions per second, IGR J00291+5934, is a prime candidate for helping detect such waves in the future (most such X ray pulsars only spin at around 300 rotations per second).
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.
Gravitational waves are an important prediction from Einstein's general theory of relativity and result from the bulk motion of matter, fluctuations during the early universe and the dynamics of space time itself. Pulsars are rapidly rotating, highly magnetized neutron stars formed during the supernova explosions of massive stars. They act as highly accurate clocks with a wealth of physical applications ranging from celestial mechanics, neutron star seismology, tests of strong field gravity and Galactic astronomy. The proposal to use pulsars as gravitational wave detectors was originally made by Sazhin and Detweiler in the late 1970s. The idea is to treat the solar system barycenter and a distant pulsar as opposite ends of an imaginary arm in space. The pulsar acts as the reference clock at one end of the arm sending out regular signals which are monitored by an observer on the Earth. The effect of a passing gravitational wave would be to perturb the local space time metric and cause a change in the observed rotational frequency of the pulsar. Hellings and Downs extended this idea in 1983 to an array of pulsars and found that a stochastic background of gravitational waves would produce a quadrupolar correlation between different pulsar pairs as a function of their angular separations on the sky. This work was limited in sensitivity by the precision and stability of the pulsar clocks in the array. Following the discovery of the first millisecond pulsar in 1982, Foster and Backer improved the sensitivity to gravitational waves by applying in 1990 the Hellings Downs analysis to an array of highly stable millisecond pulsars. The advent of digital data acquisition systems, new radio telescopes and receiver systems, and the discoveries of many new millisecond pulsars advanced the sensitivity of the pulsar timing array to gravitational waves in the early stages of the international effort. The five year data release, analysis, and first NANOGrav limit on the stochastic gravitational wave background were described in 2013 by Demorest et al. It was followed by the nine year and 11 year data releases in 2015 and 2018, respectively. Each further limited the gravitational wave background and, in the second case, techniques to precisely determine the barycenter of the solar system were refined. In 2020, the collaboration presented the 12.5 year data release, which included strong evidence for a power law stochastic process with common strain amplitude and spectral index across all pulsars, but statistically inconclusive data for the critical Hellings Downs quadrupolar spatial correlation. In June 2023, NANOGrav published the 15 year data release, which contained the first evidence for a stochastic gravitational wave background. In particular, it included the first measurement of the Hellings Downs curve, the tell tale sign of the gravitational wave origin of the observations.