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.
Пулсарите в двойни системи често преминават през еволюционни фази като масов трансфер и общо-оболочно (common-envelope) съкращаване на орбитата — процеси, които влияят на скоростта на въртене и орбиталните параметри.

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).
Понякога спътникът не се вижда директно, но неговото присъствие и маса могат да се определят чрез динамични измервания на пулсара.

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).
Най-известният исторически пример е PSR B1913+16 (Hulse–Taylor), чието наблюдавано свиване на орбитата съвпада с предсказанието на ОТО за енергията, изнесена от гравитационните вълни — откритие за което е присъдена Нобелова награда. Двойният пулсар PSR J0737-3039 предоставя допълнително изключително точни измервания, тъй като и двете звезди са пулсари и системата е много компактна и "сковородно подредена" (edge-on), което улеснява наблюдението на релативистичните ефекти.

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.
Тези процеси дават обяснение на широк спектър от наблюдавани орбитални периоди и скорости на въртене при двоичните пулсари.

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.