Przejdź do treści

Mikroskopowe odkształcenie pulsara źródłem fal grawitacyjnych

Mikroskopowe spłaszczenie gwiazdy neutronowej w układzie podwójnym PSR J1023+0038 odległym o 4500 lat świetlnych. Oś rotacji gwiazdy neutronowej jest prostopadła do płaszczyzny rysunku. Dodatkowa zmiana wysokości w jednym kierunku wynosi zaledwie kilka mikrometrów (odpowiada to mniej więcej wielkości bakterii). Źródło: Sudip Bhattacharyya.

Prof. Bhattacharyya z Tata Institute of Fundamental Research (TIFR) w Indiach oszacował wielkość stałego zniekształcenia gwiazdy neutronowej w układzie podwójnym PSR J1023+0038, które spowalnia jej rotację poprzez ciągłą emisję fal grawitacyjnych. Zniekształcenie pulsara polega na spłaszczeniu w jednym kierunku prostopadle do osi rotacji. Wielkość asymetrii kształtu wynosi zaledwie kilka mikrometrów (mniej więcej wielkość bakterii).

Publikacja na ten temat ukazała się w sierpniowym wydaniu  Monthly Notices of the Royal Astronomical Society pt. Stałe spłaszczenie gwiazdy neutronowej w PSR J1023+0038.

Gwiazdy neutronowe są niezwykle gęstymi obiektami kosmicznymi. Mają one wielkość miasta (średnica około 20 km), ale zawierają w swojej objętości masę większą od masy Słońca. Garść materii „zaczerpniętej” z gwiazdy neutronowej waży tyle, co góra na Ziemi. Niektóre z nich obracają się kilkaset razy na sekundę i są nazywane pulsarami milisekundowymi. Drobna asymetria lub deformacja wokół osi rotacji takiej gwiazdy może wywoływać ciągłą emisję fal grawitacyjnych.

Fale grawitacyjne są drobnymi zaburzeniami („zmarszczkami”) rozchodzącymi się w czasoprzestrzeni. Od 2015 roku obserwuje się obiekty we Wszechświecie na falach grawitacyjnych za pomocą interferometrów LIGO i VIRGO. Jednak do tej pory obserwowano tylko zjawiska chwilowe, takie jak połączenie się czarnych dziur i gwiazd neutronowych.

Natomiast jeszcze nie zaobserwowano emisji ciągłych fal grawitacyjnych, które może na przykład generować nawet mikroskopijnie zdeformowana gwiazda neutronowa (brak symetrii osiowej). Współczesne instrumenty obserwacyjne mogą nie mieć zdolności detekcji tych fal grawitacyjnych, gdy odkształcenie jest zbyt małe.

Ale można pośrednio stwierdzić istnienie takich fal grawitacyjnych i zmierzyć wielkość tego odkształcenia poprzez oszacowanie udziału emisji fal grawitacyjnych w tempie spowalniania rotacji pulsara. Częstotliwość rotacji pulsara i jej zmiany mogą być zmierzone dzięki promieniowaniu elektromagnetycznemu (np. fale radiowe, rentgenowskie) i alternatywnym sposobem oszacowania wielkości emisji fal grawitacyjnych jest oszacowanie ich wkładu do zmiany częstotliwości rotacji pulsara.

Do tej pory nie udało się wykonać takich wiarygodnych wyliczeń. Teraz stało się to możliwe dzięki obserwacjom unikalnego pulsara milisekundowego (rotuje z częstotliwością 592.42 Hz, czyli obraca się prawie 600 razy na sekundę!!!) PSR J1023+0038, który jest głównym składnikiem (masa ~1.5 Mʘ) małomasywnego rentgenowskiego układu podwójnego.

PSR J1023+0038 jest jednym z trzech znanych pulsarów, w których obserwuje „przełączanie” się pomiędzy pulsarem akreującym masę w małomasywnym rentgenowskim układzie podwójnych a pulsarem bez akrecji, z którego obserwuje się promieniowanie radiowe.

Ale jest to jedyny pulsar, dla którego wyznaczono dwa tempa spowalniania rotacji – gdy układ jest w fazie transferu masy z towarzysza (małomasywna gwiazda typu widmowego G6 o masie ~0.2 Mʘ) oraz w fazie, gdy praktycznie nie ma transferu masy.

Wykorzystując te wartości spowalniania rotacji oraz podstawową zasadę fizyki, jaką jest zasada zachowania momentu pędu, prof. Bhattacharyya oszacował wielkość emisji fal grawitacyjnych i spłaszczenie gwiazdy neutronowej na około jedną miliardową jej część w jednym kierunku, prostopadłym do jej osi rotacji (dokładniej: 0.48 - 0.93 x 10-9). Odpowiada to asymetrii gwiazdy neutronowej wynoszącej kilka mikrometrów (= jedna milionowa część metra), czyli zaledwie wielkości bakterii.


Opracowanie: Ryszard Biernikowicz


Więcej informacji:


Publikacja naukowa: The permanent ellipticity of the neutron star in PSR J1023+0038

Wersja darmowa publikacji w arXiv: The permanent ellipticity of the neutron star in PSR J1023+0038 

 Microscopic deformation of a neutron star inferred from a distance of 4500 light-years

 

Źródło: Tata Institute of Fundamental Research (TIFR)

 

Na ilustracji: Mikroskopowe spłaszczenie gwiazdy neutronowej w układzie podwójnym PSR J1023+0038 odległym o 4500 lat świetlnych. Oś rotacji gwiazdy neutronowej jest prostopadła do płaszczyzny rysunku. Dodatkowa zmiana wysokości w jednym kierunku wynosi zaledwie kilka mikrometrów (odpowiada to mniej więcej wielkości bakterii). Źródło: Sudip Bhattacharyya.