Двойни (бинарни) пулсари — определение, наблюдение и значение
Двойни (бинарни) пулсари: как се наблюдават, защо потвърждават гравитационно излъчване и тестват общата теория на относителността чрез точни радионаблюдения и измервания.
Двойният пулсар е пулсар с двоен спътник, често бяло джудже или неутронна звезда. Поне в един случай, двойният пулсар PSR J0737-3039, звездата спътник е също друг пулсар.
Двойните пулсари са едни от малкото обекти, които позволяват на физиците да проверят общата теория на относителността в случай на силно гравитационно поле. Въпреки че двоичният спътник на пулсара обикновено е труден или невъзможен за наблюдение, времето на импулсите от пулсара може да бъде измерено с изключителна точност от радиотелескопите. Определянето на времето на бинарните пулсари косвено потвърждава съществуването на гравитационното излъчване и верифицира общата теория на относителността на Айнщайн.
Какво представляват двоичните пулсари
Двоичният (бинарният) пулсар е неутронна звезда, която излъчва периодични радиосигнали и се намира в орбита около спътник. Спътникът може да бъде:
- друга неутронна звезда (понякога също пулсар),
- бяло джудже,
- звезда от главната последователност или дори черна дупка в някои редки случаи.
Наблюдение и техники
Основният метод за изучаване на двоични пулсари е прецизно измерване на времето на импулсите (pulsar timing). От времевите остатъци и промяната във фаза могат да се извлекат орбитални и релативистични параметри. Често използвани наблюдателни техники и уреди:
- високочувствителни радиотелескопи и мрежи от телескопи,
- анализ на време-интервали между импулсите за откриване на периодични промени,
- измерване на доплерови ефекти от орбиталното движение,
- наблюдение на елементи като затихване на орбиталния период (P˙orb), перицентърно премествање (advance of periastron), и Шапиро-закъснение (Shapiro delay).
Релативистични ефекти и тестове на гравитацията
Двойните пулсари са уникални лаборатории за тестване на общата теория на относителността (ОТО) в силно гравитационно поле. Основните измерими релативистични ефекти включват:
- аванс на перихелия (periastron advance),
- градиент на гравитационното времево забавяне и гравитационно-червено изместване,
- Шапиро-закъснение при преминаване зад спътника,
- намаление на орбиталната енергия чрез излъчване на гравитационни вълни, наблюдавано като свиване на орбитата (orbital decay).
Произход и еволюция
Формироването на двоични пулсари обикновено включва няколко етапа:
- двойка масивни звезди, една от които първо експлодира като свръхнова и образува неутронна звезда,
- по-нататъшен обмен на маса или общо-оболочно съкращаване, който прави орбитата по-компактна,
- ако неутронната звезда бъде „рециклирана“ чрез акреция, тя може да се превърне в бързо въртящ се милисекунден пулсар.
Значение за астрофизиката и гравитационната астрономия
Двоичните пулсари имат голямо научно значение:
- позволяват прецизни тестове на ОТО и алтернативни теории на гравитацията в силно поле,
- дават измервания на масите на неутронните звезди с висока точност, което ограничава възможните уравнения на състоянието на материята при високи плътности,
- по същество служат като лаборатории за изучаване на звездната еволюция и последователности на масов трансфер,
- подпомагат гравитационната астрономия — наблюдаваното свиване на орбитите е директен индикатор за енергията, носена от гравитационните вълни, и предоставя контекст за съвременните детектори на гравитационни вълни.
Практически проблеми и ограничения
Някои от предизвикателствата при работа с двоични пулсари включват:
- насочеността на лъчението: пулсарът трябва да „насочва“ импулсите към Земята, за да бъде откриваем,
- ефекти от междупланетна и межд s тлантическа материя (interstellar medium), които добавят шум и изкривяване на сигналите,
- предизвикателства при откриване на компактен спътник при силно затъмнени или еклиптирани системи,
- непълнота на наблюденията — откриваме само част от общия брой двоични системи поради селективни ефекти на наблюдаване.
В обобщение, двоичните пулсари са ключови обекти както за теоретичната, така и за наблюдателната астрофизика: те осигуряват едни от най-строгите експериментални проверки на гравитацията в силно поле, дават данни за масите и вътрешната структура на неутронните звезди и хвърлят светлина върху процесите на двойната еволюция и формирането на компактни обекти.
Относителност
Два обекта, които се движат в орбита, не се движат по абсолютно кръгови пътища. пътищата почти винаги са елиптични. Така че два пъти на обиколка те са най-близо и два пъти на обиколка са най-далеч. Това е очевидно за Земята и Слънцето, но идеята се прилага много по-широко.
Когато двете тела са близо, гравитационното поле е по-силно и времето се забавя. При пулсарите времето между импулсите (или тиковете) се удължава. Когато часовникът на пулсара се движи по-бавно през най-слабата част на полето, той възстановява времето си. Това е релативистично забавяне на времето. То е разликата между това, което бихме очаквали да видим, ако пулсарът се движеше на постоянно разстояние и с постоянна скорост около своя спътник, и това, което се наблюдава в действителност.
Двойните пулсари са един от малкото инструменти, с които учените разполагат, за да откриват доказателства за гравитационни вълни. Общата теория на относителността на Айнщайн предвижда, че две неутронни звезди ще излъчват гравитационни вълни, докато обикалят около общ център на масата, което ще отнеме орбиталната енергия и ще накара двете звезди да се приближат една към друга. Тъй като двете звездни тела се приближават едно към друго, често единият пулсар поглъща материя от другия, което предизвиква бурен процес на акреция. Това взаимодействие може да нагрее газа, който се обменя между телата, и да произведе рентгенова светлина, която може да изглежда като пулсация, поради което двойните пулсари понякога се наричат рентгенови двойни звезди. Този поток от материя от едно звездно тяло към друго е известен като акреционен диск. Хилядосекундните пулсари (или MSP) създават своеобразен "вятър", който в случая на двойните пулсари може да издуха магнитосферата на неутронните звезди и да окаже драматично влияние върху импулсното излъчване.
История
Първият двоен пулсар, PSR B1913+16 или "двоен пулсар на Хълс-Тейлър", е открит през 1974 г. в Аресибо от Джоузеф Тейлър и Ръсел Хълс, за което те получават Нобелова награда за физика през 1993 г. Импулсите от тази система са проследени без грешки с точност до 15 μs от откриването ѝ.
Нобеловата награда за 1993 г. е присъдена на Джоузеф Тейлър и Ръсел Хълс, след като те откриват две такива звезди. Докато Хълс наблюдава нов пулсар, наречен PSR B1913+16, той забелязва, че честотата, с която той пулсира, се колебае. Стига се до заключението, че най-простото обяснение е, че пулсарът обикаля много близо до друга звезда с висока скорост. Хълс и Тейлър установили, че звездите са еднакво тежки, наблюдавайки тези колебания на импулсите, което ги накарало да смятат, че другият космически обект също е неутронна звезда.
Наблюденията на орбиталния разпад на тази звездна система почти напълно съвпадат с уравненията на Айнщайн. Теорията на относителността предвижда, че с течение на времето орбиталната енергия на двойната система ще се превърне в гравитационно излъчване. Събраните от Тейлър и колегите му данни за орбиталния период на PRS B1913+16 потвърждават това релативистко предсказание. През 1983 г. те съобщават, че има разлика в наблюдаваното минимално разстояние между двата пулсара в сравнение с това, което се очаква, ако орбиталното разстояние е останало постоянно. През десетилетието след откриването ѝ орбиталният период на системата е намалял с около 76 милионни части от секундата на година. Това означава, че пулсарът се е приближил до максималното си разстояние с повече от секунда по-рано, отколкото би се приближил, ако орбитата беше останала същата. Последващите наблюдения продължават да показват това намаление.
Кумулативно изместване на периастронния период в секунди за двойната звездна система PSR B1913+16, тъй като системата губи енергия чрез излъчване на гравитационни вълни. Червените точки са експериментални данни, а синята линия е изместването, предсказано от теорията на относителността.
Въпроси и отговори
В: Какво представлява двоичният пулсар?
О: Бинарен пулсар е пулсар с бинарен спътник, често бяло джудже или неутронна звезда.
В: Коя е звездата спътник на двоен пулсар?
О: Звездата спътник на двоен пулсар често е бяло джудже или неутронна звезда, но поне в един случай (двойният пулсар PSR J0737-3039) звездата спътник е и друг пулсар.
Въпрос: Какво е значението на двойните пулсари във физиката?
О: Двойните пулсари са важни за физиката, защото позволяват на физиците да проверяват общата теория на относителността в случай на силно гравитационно поле.
В: Възможно ли е да се наблюдава звездата спътник на двоен пулсар?
О: Обикновено звездата спътник на пулсара е трудна или невъзможна за наблюдение.
В: Как може да се измери времето на импулсите от двоен пулсар?
О: Времето на импулсите от двоен пулсар може да бъде измерено с изключителна точност от радиотелескопите.
В: Какво е потвърдено косвено за времетраенето на импулсите на двоен пулсар?
О: Определянето на времето на двоен пулсар косвено потвърждава съществуването на гравитационно излъчване.
В: Коя теория е потвърдила времето на двоичния пулсар?
О: Времето на двоичните пулсари е потвърдило общата теория на относителността на Айнщайн.
обискирам