Kaksikpulsaar (binaarne pulsar): definitsioon, omadused ja tähtsus

Kaksikpulsaar on pulsar, millel on kaksikpartner, sageli valge kääbus või neutrontäht. Erandiks on topeltpulsaar PSR J0737-3039, kus kaaslane on samuti teine pulsar ja mõlemad komponendid on raadiolainetel otse jälgitavad.

Kaksikpulsaarid tekivad tavaliselt kahe massiivse tähe evolutsiooni käigus, kus mõlemad tähed läbivad supernoova plahvatuse järel neutronitähe faasi. Sõltuvalt lähteoludest võib paar koosneda neutronitäht–neutronitäht, neutronitäht–valge kääbus või harvemini neutronitäht–must auk konfiguratsioonist. Sellised süsteemid on astronoomias väga väärtuslikud, sest nad võimaldavad uurida nii tähejäätmete koostist ja evolutsiooni kui ka gravitatsiooni tugevaid väljendeid.

Vaatlus ja pulsari ajastus

Pulsari impulssid — väga regulaarsed raadiolainete välgud — võimaldavad ejaktsiooni ajastada erakordselt täpselt. Raadioteleskoopidega saab impulsside saabumise aegu määrata mikrosekundi või isegi nanosekunditasemel (sõltuvalt pulsari tüübist ja teleskoobist). Selline täpsus võimaldab mõõta väikseimaid muutusi pulsari orbitaalliikumises ja spinni-omadustes.

Mõned mõõdetavad ja olulised efektid kaksikpulsaarides:

Orbiidi periastroni ettepoole nihkumine (periastroni ehk lähtekoha liikumine), mis on relatiivne efekt.
Orbiidi kahanemine ehk perioodi vähenemine, mida põhjustab gravitatsioonikiirguse emissioon ja mida nähti esimesena PSR B1913+16-s (Hulse–Taylor pulsar).
Shapiro-viivitus, mis tekib siis, kui pulsari signaal läbib kaaslase gravitatsioonivälja ja hilineb vastavalt kaaslase massile ja orbiidi kaldele.
Gravitatsiooniline punanemine ja ajadilatatsioon ka periaastris ning geodeetiline eelsessioon (spin-orbitaalne koormus mõnel süsteemil).

Relatiivsusteooria testimine

Kaksikpulsaarid on üks väheseid taevakehi, mis võimaldab füüsikutel tugeva gravitatsioonivälja korral üldrelatiivsusteooriat testida. Pulsari ajastuse väga kõrge täpsus ja kahe keha selgelt määratletud orbitaalparameetrid võimaldavad mõõta mitut sõltumatut relatiivset parameetrit ja võrrelda neid Einsteini teooria ennustustega.

Olulised tulemused, mida kaksikpulsaarid on andnud:

Kaksikpulsaaride ajastus on kaudselt kinnitanud gravitatsioonikiirguse olemasolu läbi orbiidi kahanemise mõõtmise (näide: Hulse–Taylor pulsar PSR B1913+16).
Topeltpulsaar PSR J0737-3039 võimaldas mitmete relatiivsuse efektide samaaegset täpset mõõtmist, kuna mõlema komponendi impulsside signaalid on kättesaadavad.
Mõõtmised annavad piiranguid alternatiivsetele gravitatsiooniteooriatele (nt dipoolkiirguse olemasolu puudumine teatud mastaapidel) ning võimaldavad määrata tähti moodustavate objektide masse väga täpselt.

Tähtsus astrofüüsikas

Kaksikpulsaarid on tähtsad mitmel põhjusel:

Need annavad unikaalse labori tugeva gravitatsioonikorra uurimiseks ja seeläbi fundamentaalsete füüsikateooriate testimiseks.
Neutronitähtede masside ja raadiuste täpsed mõõtmised aitavad piirata tuumamaterjali olekut (üks oluline sisend neutrontähe sisemise struktuuri ja olekuvõrrandite uurimisel).
Sellised paarid on LIGO/Virgo tüüpi gravitatsioonilainetega detektoritele tähtsad allikad — kahe neutronitähe ühendumine tekitab tugeva gravitatsioonilise signaali ja sageli ka elektromagnetilise järelheti (nt gammakiired ja kilonova nähtus).
Paaride arvu ja ühendumistiheduse hinnangud kaksikpulsarite põhjal aitavad prognoosida, kui sageli selliseid liitumisi detekteeritakse maa- pealsete gravitatsioonidetektoritega.

Kokkuvõte

Kaksikpulsaarid on võimsad tööriistad nii astronoomias kui ka fundamentaalfüüsikas: nende täpne ajastus võimaldab testida üldist relatiivsusteooriat tugevas gravitatsiooniväljas, kinnitada gravitatsioonikiirguse mõju orbiidilt kaotatava energia kaudu ning pakkuda väärtuslikke andmeid neutronitähtede ja paaride evolutsiooni kohta. Kuigi pulsari kaksikpartnerit on sageli raske või võimatu otse vaadelda, annavad impulsside ajastus- ja orbiidmõõtmised rikkaliku informatsiooni nende süsteemide füüsika kohta ning nende tähtsus kasvab koos gravitatsioonilainete astronoomia arenguga.

Originaalnäited ja tähtsamad vaatlusleidud on osutunud korduvalt kooskõlaliseks Einsteini teooria ennustustega, muutes kaksikpulsaarid oluliseks klassiks teaduslikuks uurimistööks.

Relatiivsus

Kaks objekti ei tiirle absoluutselt ringikujulisi radu, vaid need on praktiliselt alati elliptilised. Nii et kaks korda ringjoonel on nad kõige lähemal ja kaks korda ringjoonel kõige kaugemal. See on ilmselge Maa ja Päikese puhul, kuid mõte kehtib palju laiemalt.

Kui kaks keha on lähestikku, on gravitatsiooniväli tugevam ja aja kulgemine aeglustub. Pulsaaride puhul pikeneb impulsside (või tiksude) vaheline aeg. Kui pulsari kell liigub aeglasemalt läbi nõrgema osa väljast, võidab ta aega tagasi. See on relativistlik ajaviive. See on erinevus selle vahel, mida võiks oodata, kui pulsar liiguks püsiva kauguse ja kiirusega ümber oma kaaslase, ja selle vahel, mida tegelikult täheldatakse.

Kaksikpulsaarid on üks väheseid vahendeid, mida teadlased saavad kasutada gravitatsioonilainete tuvastamiseks. Einsteini üldrelatiivsusteooria ennustab, et kaks neutrontähte kiirgavad gravitatsioonilaineid, kui nad tiirlevad ühise massikeskme ümber, mis kannavad orbitaalenergia ära ja põhjustavad kahe tähe lähenemise. Kui kaks tähte lähenevad teineteisele, neelab üks pulsar sageli teisest ainet, põhjustades vägivaldse akkretsiooniprotsessi. See vastastikmõju võib kuumutada kehade vahel vahetatavat gaasi ja tekitada röntgenvalgust, mis võib näida pulseerivat, mistõttu kaksikpulsaare nimetatakse aeg-ajalt ka röntgenkaksikuteks. Seda aine voolu ühelt tähtkehalt teisele nimetatakse akkretsioonikettaks. Millisekundilised pulsarid (või MSP-d) tekitavad omamoodi "tuule", mis binaarsete pulsarite puhul võib ära puhuda neutrontähtede magnetosfääri ja avaldada dramaatilist mõju impulsside emissioonile.

Ajalugu

Esimese kaksikpulsaari, PSR B1913+16 ehk Hulse-Taylor'i kaksikpulsaari avastasid 1974. aastal Arecibos Joseph Taylor ja Russell Hulse, mille eest nad 1993. aastal said Nobeli füüsikapreemia. Selle süsteemi impulssi on alates selle avastamisest jälgitud ilma tõrgeteta 15 μs täpsusega.

1993. aastal anti Nobeli preemia Joseph Taylorile ja Russell Hulse'ile pärast kahe sellise tähe avastamist. Kui Hulse jälgis uut pulsarit nimega PSR B1913+16, märkas ta, et selle pulseerimissagedus kõikus. Leiti, et lihtsaim seletus oli see, et pulsar tiirleb väga tihedalt ja suure kiirusega ümber teise tähe. Hulse ja Taylor tegid nende impulsside kõikumisi jälgides kindlaks, et tähed olid võrdselt rasked, mis viis neid uskuma, et teine kosmiline objekt oli samuti neutrontäht.

Selle tähesüsteemi orbiidi lagunemise kohta tehtud vaatlused vastasid peaaegu ideaalselt Einsteini võrranditele. Relatiivsusteooria ennustab, et aja jooksul muutub kaksiksüsteemi orbitaalenergia gravitatsioonikiirguseks. Taylori ja tema kolleegide kogutud andmed PRS B1913+16 orbitaalperioodi kohta toetasid seda relativistlikku ennustust. Nad teatasid 1983. aastal, et kahe pulsari täheldatud minimaalne eraldatus erineb sellest, mida oodatakse, kui orbitaalne eraldatus oleks jäänud konstantseks. Avastamisele järgnenud kümnendi jooksul oli süsteemi orbitaalperiood vähenenud umbes 76 miljondik-sekundi võrra aastas. See tähendab, et pulsar lähenes oma maksimaalsele eraldatusele rohkem kui sekundi võrra varem, kui see oleks toimunud, kui orbiit oleks jäänud samaks. Hilisemad vaatlused näitavad seda vähenemist jätkuvalt.

Kaksiktähtede süsteemi PSR B1913+16 periastroniperioodi kumulatiivne nihe sekundites, kui süsteem kaotab energiat gravitatsioonilaine kiirguse tõttu. Punased punktid on eksperimentaalsed andmed ja sinine joon on relatiivsusteooria poolt ennustatud nihe.

Küsimused ja vastused

K: Mis on binaarne pulss?

V: Binaarne pulsar on pulsar, millel on binaarne kaaslane, sageli valge kääbus või neutrontäht.

K: Mis on binaarse pulsari kaaslane?

V: Kaksikpulsaari kaaslane on sageli valge kääbus või neutrontäht, kuid vähemalt ühel juhul (kaksikpulsaar PSR J0737-3039) on kaaslane ka teine pulsaar.

K: Milline on kaksikpulsaaride tähtsus füüsikas?

V: Kaksikpulsaarid on füüsikas olulised, sest nad võimaldavad füüsikutel testida üldist relatiivsusteooriat tugeva gravitatsioonivälja korral.

K: Kas on võimalik jälgida binaarse pulsari kaaslase tähte?

V: Tavaliselt on pulsari kaaslase tähte raske või võimatu jälgida.

K: Kuidas saab mõõta binaarse pulsari impulsside ajastust?

V: Kaksikpulsaari impulsside ajastust saab raadioteleskoopidega mõõta erakordse täpsusega.

K: Mida on binaarse pulsari ajastus kaudselt kinnitanud?

V: Binaarpulsari ajastus on kaudselt kinnitanud gravitatsioonikiirguse olemasolu.

K: Millist teooriat on binaarpulsari ajastus kinnitanud?

V: Binaarpulsarite ajamõõtmine on kinnitanud Einsteini üldist relatiivsusteooriat.