Przejdź do treści

Mapa emisji pulsara i test Teorii Względności

PSR J1906+0746

Szczegółowa emisja radiowa pulsara została lepiej zbadana dzięki Ogólnej Teorii Względności Einsteina. Pulsary będące składnikami układów podwójnych podlegają silnym efektom relatywistycznym, przez co ich osie obrotu z czasem zmieniają swój kierunek. Zespół badawczy kierowany przez Gregory’ego Desvignesa z Instytutu Maxa Plancka w Bonn wykorzystał obserwacje radiowe pulsara PSR J1906+0746 celem rekonstrukcji spolaryzowanej emisji nad jego biegunem magnetycznym. Jednocześnie naukowcy przewidzieli zanik wykrywalnej emisji radiowej pulsara do roku 2028.

Obserwacje tego układu potwierdzają ważność tradycyjnego modelu teoretycznego, który wiąże promieniowanie pulsara z jego geometrią. Ale badacze byli również w stanie precyzyjnie zmierzyć szybkość zmian kierunku jego osi obrotu. W tym przypadku wykazali doskonałą zgodność z przewidywaniami Ogólnej Teorii Względności Einsteina. Eksperyment ten jest jak dotąd najtrudniejszym testem ważnego efektu relatywistycznej - tak zwanej precesji spinowej silnie grawitujących ciał w układzie podwójnym. Ponadto zrekonstruowany przez zespół kształt wiązki radiowej ma wpływ na faktyczną populację gwiazd neutronowych w Drodze Nlecznej i spodziewaną szybkość ich łączenia się ze sobą. Łączenie to jest obecnie obserwowane przez detektory fal grawitacyjnych, takie jak LIGO.

Pulsary to szybko wirujące gwiazdy neutronowe, które mieszczą w sobie co najmniej 40% więcej masy niż masa Słońca. Masa ta jest w nich dodatkowo upakowana w niewielkiej kuli o średnicy zalewie około 20 km. Mają przy tym bardzo silne pola magnetyczne i emitują wiązkę fal radiowych wzdłuż swych osi magnetycznych, ponad każdym z przeciwległych biegunów magnetycznych. Ze względu na stabilny w czasie obrót pulsarów generują one tak zwany efekt latarni morskiej - impulsowe sygnały, które docierają do Ziemi z dokładnością zegara atomowego. Duży masy, zwartość i właściwości podobne do zegara pozwalają astronomom z powodzeniem wykorzystywać je jako laboratoria do testowania Ogólnej Teorii Względności.

Teoria ta przewiduje, że czasoprzestrzeń jest zakrzywiana przez masywne ciała, takie jak właśnie pulsary. Jedną z oczekiwanych konsekwencji jest tu efekt relatywistycznej precesji spinu (osi obrotu) w parach pulsarów okrążających się nawzajem jako układy podwójne. Efekt ten powstaje w wyniku niewspółosiowości wektora spinowego każdego pojedynczego pulsara w stosunku do wektora całkowitego pędu takiego układu podwójnego. Najprawdopodobniej jest on wywoływany zachodzącą wcześniej, asymetryczną eksplozją supernowej. Precesja ta powoduje zmianę naszego sposobu widzenia danego pulsara, co możemy sprawdzać obserwacyjnie, poprzez monitorowanie systematycznych zmian w obserwowanym profilu jego jasności.

Efekt ten obserwowano już wielokrotnie, jednak w żadnym z wcześniejszych przypadków nie było możliwe jego zbadanie z precyzją, jaką uzyskano teraz dla PSR J1906+0746. Jest to młody pulsar z okresem obrotu rzędu 144 milisekund, krążący wokół drugiej gwiazdy neutronowej. Układ ten leży w granicach gwiazdozbioru Orła, bardzo blisko płaszczyzny naszej Galaktyki, Drogi Mlecznej.

Zespół badawczy monitorował go w latach 2012-2018 z pomocą 305-metrowego radioteleskopu Arecibo, na częstotliwości 1,4 GHz. Obserwacje te zostały uzupełnione danymi archiwalnymi z radioteleskopów w Nançay i Arecibo, zarejestrowanymi w latach 2005–2009. W sumie dostępny zestaw danych obejmuje okres od lipca 2005 do czerwca 2018 roku.

Naukowcy zauważyli, że początkowo można było zaobserwować emisję radiową pochodzącą znad przeciwlegle położonych biegunów magnetycznych pulsara, gdy oba z nich były cyklicznie kierowane ku Ziemi, raz na każdy jego obrót. Z czasem jednak wiązka północna zniknęła i tylko wiązka południowa pozostała wciąż widoczna. Na podstawie szczegółowych badań polaryzacji otrzymanej emisji możliwe było też zastosowanie modelu przewidującego, że właściwości tej polaryzacji skrywają w sobie pewne informacje na temat samej geometrii pulsara. Dane potwierdziły ten model, a także pozwoliły zespołowi zmierzyć tempo precesji przy poziomie niepewności wynoszącym zaledwie 5%. Zmierzona wartość doskonale zgadza się z przewidywaniami teorii Einsteina.

Ponadto zespół jest teraz w stanie przewidzieć zniknięcie i ponowne pojawienie się zarówno północnej, jak i południowej wiązki PSR J1906+0746. Wiązka południowa zniknie z naszej linii widzenia około 2028 roku, ale pojawi się ponownie w latach 2070–2090. Wiązka północna powinna pojawić się ponownie około 2085–2105 roku.

Ten trwający aż 14 lat eksperyment naukowy zapewnił nam wgląd we wciąż słabo zrozumianą kwestię działania pulsarów. Zespół doszedł do wniosku, że nasza linia widzenia z Ziemi przecięła niedawno biegun magnetyczny pulsara w kierunku północ-południe, umożliwiając nie tylko stworzenie dokładnej mapy wiązki pulsarowej, ale także zbadanie jej emisji radiowej tuż ponad biegunem magnetycznym.

-To satysfakcjonujące, że po kilkudziesięciu latach nasza linia wzroku po raz pierwszy przecina biegun magnetyczny pulsara, pokazując tym samym ważność modelu zaproponowanego jeszcze w 1969 roku - wyjaśnia Kejia Lee z Kavli Institute for Astronomy and Astrophysics z Uniwersytetu w Pekinie, współautorka pracy. -Natomiast kształt jego wiązki jest naprawdę nieregularny i nieoczekiwany.

Sporządzona przez naukowców mapa ujawniła prawdziwy zasięg typowej wiązki pulsara, który przy okazji definiuje część nieba "oświetloną" taką wiązką. Ten parametr ma znaczący wpływ na przewidywaną liczbę układów podwójnych gwiazd neutronowych w Galaktyce, a pośrednio także na oczekiwaną ilość wykrywania fal grawitacyjnych towarzyszących zlewaniu się ze sobą dwóch gwiazd neutronowych.


Opracowanie: Elżbieta Kuligowska

Czytaj więcej:

  • Cały artykuł
  • Oryginalna publikacja: Gregory Desvignes, Michael Kramer, Kejia Lee, Joeri van Leeuwen, Ingrid Stairs, Axel Jessner, Ismaël Cognard, Laura Kasian, Andrew Lyne et al., 6 września 2019 (Science).

 

Na ilustracji: PSR J1906+0746. Relatywistyczny efekt precesji spinowej pulsara umożliwia dokładne zbadanie struktury jego wiązki obserwowanej na falach radiowych. Źródło: Gregory Desvignes & Michael Kramer, MPIfR