Двойные пульсары и проверка общей теории относительности

Введение

Два пульсара, обращающихся друг вокруг друга

Двойной пульсар – это пульсар с бинарным компаньоном, часто белым карликом или нейтронной звездой. (По крайней мере, в одном случае, двойной пульсар PSR J0737-3039, компаньоном-нейтронной звездой является другой пульсар.) Двойные пульсары – один из немногих объектов, позволяющих физикам проверять общую теорию относительности благодаря сильным гравитационным полям вблизи них. Хотя бинарный компаньон пульсара обычно трудно или невозможно наблюдать непосредственно, о его присутствии можно судить по времени прихода импульсов от самого пульсара, которое радиотелескопы могут измерять с исключительной точностью.

История

Двойной пульсар PSR B1913+16 (или «двойной пульсар Халса — Тейлора») был впервые обнаружен в 1974 году в Аресибо Джозефом Хутоном Тейлором-младшим и Расселом Халсом, за что они получили Нобелевскую премию по физике в 1993 году. Наблюдая за недавно открытым пульсаром PSR B1913+16, Халс заметил, что частота его импульсов регулярно менялась. Было сделано заключение, что пульсар вращается вокруг другой звезды на очень близком расстоянии с высокой скоростью, и что период импульсов изменяется из-за эффекта Доплера: когда пульсар движется к Земле, импульсы становятся более частыми; и наоборот, когда он удаляется от Земли, за определенный промежуток времени обнаруживается меньше импульсов. Импульсы можно рассматривать как тики часов; изменения в тиканье указывают на изменения скорости пульсара по направлению к Земле и от нее. Халс и Тейлор также определили, что звезды имеют примерно одинаковую массу, наблюдая эти колебания импульсов, что привело их к выводу, что второй объект также является нейтронной звездой. Импульсы от этой системы теперь отслеживаются с точностью до 15 мкс. (Примечание: Cen X 3 был первым обнаруженным «двойным пульсаром» в 1971 году, за ним последовал Her X 1 в 1972 году.) Изучение двойного пульсара PSR B1913+16 также привело к первому точному определению масс нейтронных звезд с использованием релятивистских эффектов синхронизации. Когда два тела находятся близко друг к другу, гравитационное поле усиливается, течение времени замедляется, а интервал между импульсами (или тиками) увеличивается. Затем, когда пульсарное время движется медленнее в самой слабой части поля, оно восстанавливает время. Специальный релятивистский эффект, замедление времени, действует вокруг орбиты аналогичным образом. Эта релятивистская задержка представляет собой разницу между тем, что можно было бы ожидать, если бы пульсар двигался на постоянном расстоянии и скорости вокруг своего компаньона по круговой орбите, и тем, что наблюдается на самом деле. До первого наблюдения гравитационных волн в 2015 году и работы установки Advanced LIGO, двойные пульсары были единственным инструментом, которым располагали ученые для обнаружения доказательств существования гравитационных волн; теория общей теории относительности Эйнштейна предсказывает, что две нейтронные звезды будут излучать гравитационные волны при вращении вокруг общего центра масс, что приведет к потере орбитальной энергии и сближению двух звезд, а также к сокращению их орбитального периода. 10-параметрическая модель, включающая информацию о времени пульсара, кеплеровских орбитах и трех посткеплеровских поправках (скорость прецессии периастра, фактор гравитационного красного смещения и замедления времени, а также скорость изменения орбитального периода из-за излучения гравитационных волн), достаточна для полного моделирования времени двойного пульсара. Измерения орбитального распада системы PSR B1913+16 почти идеально соответствовали уравнениям Эйнштейна. Теория относительности предсказывает, что со временем орбитальная энергия двойной системы будет преобразовываться в гравитационное излучение. Данные, собранные Тейлором и Джоэлем М. Вайсбергом и их коллегами об орбитальном периоде PSR B1913+16, подтвердили это релятивистское предсказание; они сообщили в 1982 году о различии между наблюдаемым минимальным расстоянием между двумя пульсарами и ожидаемым, если бы орбитальное расстояние оставалось постоянным. В течение десятилетия после открытия орбитальный период системы уменьшился примерно на 76 миллионных долей секунды в год, что указывает на то, что пульсар приближался к своему максимальному удалению более чем на секунду раньше, чем если бы орбита оставалась неизменной. Последующие наблюдения продолжают показывать это уменьшение.

The binary pulsar PSR B1913+16 (or the "Hulse Taylor binary pulsar") was first discovered in 1974 at Arecibo by Joseph Hooton Taylor, Jr. and Russell Hulse, for which they won the 1993 Nobel Prize in Physics. While Hulse was observing the newly discovered pulsar PSR B1913+16, he noticed that the rate at which it pulsed varied regularly. It was concluded that the pulsar was orbiting another star very closely at a high velocity, and that the pulse period was varying due to the Doppler effect: As the pulsar was moving towards Earth, the pulses would be more frequent; and conversely, as it moved away from Earth fewer would be detected in a given time period. One can think of the pulses like the ticks of a clock; changes in the ticking are indications of changes in the pulsars speed toward and away from Earth. Hulse and Taylor also determined that the stars were approximately equally massive by observing these pulse fluctuations, which led them to believe the other object was also a neutron star. Pulses from this system are now tracked to within 15 μs. (Note: Cen X 3 was actually the first "binary pulsar" discovered in 1971, followed by Her X 1 in 1972.) The study of the PSR B1913+16 binary pulsar also led to the first accurate determination of neutron star masses, using relativistic timing effects. When the two bodies are in close proximity, the gravitational field is stronger, the passage of time is slowed – and the time between pulses (or ticks) is lengthened. Then as the pulsar clock travels more slowly through the weakest part of the field it regains time. A special relativistic effect, time dilation, acts around the orbit in a similar fashion. This relativistic time delay is the difference between what one would expect to see if the pulsar were moving at a constant distance and speed around its companion in a circular orbit, and what is actually observed. Prior to the first observation of gravitational waves in 2015 and the operation of Advanced LIGO, binary pulsars were the only tools scientists had to detect evidence of gravitational waves; Einstein's theory of general relativity predicts that two neutron stars would emit gravitational waves as they orbit a common center of mass, which would carry away orbital energy and cause the two stars to draw closer together and shorten their orbital period. A 10 parameter model incorporating information about the pulsar timing, the Keplerian orbits and three post Keplerian corrections (the rate of periastron advance, a factor for gravitational redshift and time dilation, and a rate of change of the orbital period from gravitational radiation emission) is sufficient to completely model the binary pulsar timing. The measurements made of the orbital decay of the PSR B1913+16 system were a near perfect match to Einstein's equations. Relativity predicts that over time a binary system's orbital energy will be converted to gravitational radiation. Data collected by Taylor and Joel M. Weisberg and their colleagues of the orbital period of PSR B1913+16 supported this relativistic prediction; they reported in 1982 that there was a difference in the observed minimum separation of the two pulsars compared to that expected if the orbital separation had remained constant. In the decade following its discovery, the system's orbital period had decreased by about 76 millionths of a second per year, indicating that the pulsar was approaching its maximum separation more than a second earlier than it would have if the orbit had remained the same. Subsequent observations continue to show this decrease.

Эффекты

Иногда относительно нормальная звезда-компаньон в двойной системе с пульсаром раздувается настолько, что сбрасывает свои внешние слои на пульсар. Это взаимодействие может нагревать газ, перетекающий между телами, и генерировать рентгеновское излучение, которое может казаться пульсирующим, в процессе, называемом стадией рентгеновской двойной системы. Поток вещества от одного звездного тела к другому часто приводит к образованию аккреционного диска вокруг звезды-получателя. Пульсары также создают "ветр" из частиц, истекающих с релятивистской скоростью, который в случае двойных пульсаров может рассеивать магнитосферу их компаньонов и существенно влиять на импульсное излучение.