Radioemission fra en neutronstjernes magnetiske pol afsløret af generel relativitetsteori

Pulsarer i binære systemer påvirkes af relativistiske effekter, hvilket får hver pulsars spin-akser til at ændre deres retning med tiden. Et forskerhold ledet af Gregory Desvignes fra Max Planck Institute for Radio Astronomy i Bonn, Tyskland, har brugt radioobservationer af kilden PSR J1906+0746 til at rekonstruere den polariserede emission over pulsarens magnetiske pol og til at forudsige forsvinden af ​​den detekterbare emission inden 2028. Observationer af dette system bekræfter gyldigheden af ​​en 50 år gammel model, der relaterer pulsars stråling til dens geometri. Forskerne er også i stand til præcist at måle ændringshastigheden i spinretningen og finde en fremragende overensstemmelse med forudsigelserne i Einsteins generelle relativitetsteori.

Eksperimentet er den mest udfordrende test til dato af denne vigtige effekt af relativistisk spinprecession for stærkt selvgraviterende legemer. I øvrigt, den rekonstruerede radiostråleform har implikationer for populationen af ​​neutronstjerner og den forventede hastighed af neutronstjernefusioner som observeret af gravitationsbølgedetektorer såsom LIGO.

Resultaterne offentliggøres i Videnskab , udgave 6. september 2019.

Pulsarer er hurtigt snurende neutronstjerner, der koncentrerer 40 procent mere masse end Solen - eller mere! – ind i en lille kugle på kun omkring 20 km i diameter. De har ekstremt stærke magnetfelter og udsender en stråle af radiobølger langs deres magnetiske akser over hver af deres modsatte magnetiske poler. På grund af deres stabile rotation, en fyrtårnseffekt producerer pulserende signaler, der ankommer til Jorden med nøjagtigheden af ​​et atomur. Den store masse, kildens kompakthed, og de urlignende egenskaber gør det muligt for astronomer at bruge dem som laboratorier til at teste Einsteins generelle relativitetsteori.

Teorien forudsiger, at rumtiden er buet af massive legemer såsom pulsarer. En forventet konsekvens er effekten af ​​relativistisk spinprecession i binære pulsarer. Effekten opstår fra en fejljustering af spinvektoren for hver pulsar i forhold til den samlede vinkelmomentvektor for det binære system, og er højst sandsynligt forårsaget af en asymmetrisk supernovaeksplosion. Denne præcession får synsgeometrien til at variere, som kan testes observationelt ved at overvåge systematiske ændringer i den observerede pulsprofil.

Beviser for en variabel pulsprofil tilskrevet ændringer i synsgeometrien forårsaget af spinprecession er blevet observeret og modelleret i den nobelprisvindende Hulse-Taylor binære pulsar B1913+16. Andre binære pulsarer viser også effekten, men ingen af ​​dem har tilladt undersøgelser på den præcision og det detaljeniveau, der kan opnås med PSR J1906+0746.

Målet er en ung pulsar med en spinperiode på 144 millisekunder i en 4-timers kredsløb omkring en anden neutronstjerne i retning af stjernebilledet Aquila (Ørnen), ret tæt på Mælkevejens plan.

"PSR J1906+0746 er et unikt laboratorium, hvor vi samtidigt kan begrænse radiopulsar-emissionsfysikken og teste Einsteins generelle relativitetsteori, " siger Gregory Desvignes fra Max Planck Institute for Radio Astronomy (MPIfR) i Bonn, undersøgelsens første forfatter.

Forskerholdet overvågede pulsaren fra 2012 til 2018 med 305-m Arecibo-radioteleskopet ved en frekvens på 1,4 GHz. Disse observationer blev suppleret med arkivdata fra radioteleskoperne Nançay og Arecibo optaget mellem 2005 og 2009. I alt det tilgængelige datasæt omfatter 47 epoker fra juli 2005 til juni 2018.

Holdet bemærkede, at det oprindeligt var muligt at observere pulsarens modsatte magnetiske poler, når både nordlige og sydlige stråler (omtalt som hovedpulsen og interpulsen i undersøgelsen) blev peget mod Jorden én gang pr. rotation. Med tiden, den nordlige stråle forsvandt, og kun den sydlige stråle forblev synlig. Baseret på en detaljeret undersøgelse af polarisationsinformationen for den modtagne emission, det var muligt at anvende en 50 år gammel model, forudsige, at polarisationsegenskaberne kodede information om pulsarens geometri. Pulsardataene validerede modellen og gjorde det også muligt for holdet at måle præcessionshastigheden med kun 5 procents usikkerhedsniveau, strammere end præcessionshastighedsmålingen i Double Pulsar-systemet, et referencesystem for sådanne test indtil videre. Den målte værdi stemmer perfekt overens med forudsigelsen af ​​Einsteins teori.

"Pulsarer kan give tyngdekraftsprøver, som ikke kan udføres på nogen anden måde, siger Ingrid Stairs fra University of British Columbia i Vancouver, medforfatter til undersøgelsen. "Dette er endnu et smukt eksempel på sådan en test."

I øvrigt, holdet kan forudsige forsvinden og genkomsten af ​​begge, Nordlige og sydlige bjælke af PSR J1906+0746. Den sydlige stråle vil forsvinde fra sigtelinjen omkring 2028 og dukke op igen mellem 2070 og 2090. Den nordlige stråle skulle dukke op igen omkring 2085-2105.

Det 14 år lange eksperiment gav også spændende indsigt i pulsarernes lidt forståede virkemåde. Holdet indså, at vores Jords synslinje havde krydset den magnetiske pol i nord-syd-retning, tillader ikke kun et kort over pulsarstrålen, men også en undersøgelse af betingelserne for radioemission lige over den magnetiske pol.

"Det er meget glædeligt, at efter flere årtier, vores sigtelinje krydser en pulsars magnetiske pol for første gang, demonstrerer gyldigheden af ​​en model foreslået i 1969, " forklarer Kejia Lee fra Kavli Institute for Astronomy and Astrophysics, Peking Universitet, Beijing, en anden medforfatter af papiret. "I modsætning, stråleformen er virkelig uregelmæssig og uventet."

Strålekortet afslører den sande udstrækning af pulsarstrålen, som bestemmer den del af himlen, der er oplyst af strålen. Denne parameter påvirker det forudsagte antal af den galaktiske dobbeltneutronstjernepopulation og, derfor, den forventede gravitationsbølgedetektionshastighed for neutronstjernefusioner.

"Eksperimentet tog os lang tid at gennemføre, " slutter Michael Kramer, direktør og leder af MPIfRs forskningsafdeling "Fundamental Physics in Radio Astronomy". "Disse dage, desværre, resultater skal ofte være hurtige og hurtige, hvorimod denne pulsar lærer os så meget. At være tålmodig og flittig har virkelig givet pote."