Binární pulsar
Neutronová hvězda vysílající pravidelné pulzy, která obíhá kolem společného těžiště s jiným objektem. Důležitá pro testy obecné relativity, měření hmotností a studium evoluce kompaktních dvojhvězd.
Přehled
Binární pulsar je neutronová hvězda vysílající pravidelné pulzy elektromagnetického záření, která se nachází v gravitační vazbě s jiným objektem. Tento průvodce může být různého typu: někdy jde o hvězdu hlavní posloupnosti, často však o bílého trpaslíka nebo o jinou neutronovou hvězdu. V některých vzácných případech jsou obě složky systému pulsary současně, jako je známý dvojitý pulzar PSR J0737-3039. Binární uspořádání výrazně ovlivňuje pozorovatelné vlastnosti pulsaru a poskytuje cenné informace o dynamice systému i o fyzice husté hmoty.
Galerie obrázků
1 Obrázek
Charakteristické vlastnosti
Typickými jevy v binárních systémech jsou orbitalní pohyb ovlivňující časy příchodu pulzů, výměna hmoty mezi složkami a relativistické efekty, které bývají silně projeveny u blízkých a masivních průvodců. Recyklované nebo millisekundové pulsary vznikají, když starší neutronová hvězda akrecí hmoty a momentu hybnosti od průvodce dosáhne velmi krátké rotační periody. V duálních neutronových systémech jsou relativistické efekty silné natolik, že lze měřit např. relativistický posuv periastra, gravitační zčervenání i Shapiroovo časové zpoždění signálu.
Pozorování a časování pulsů
Hlavní metodou studia binárních pulsarů je časování pulzů: přesným měřením okamžiků příchodu impulzů lze rekonstruovat oběžnou dráhu a stanovit parametry jako je perioda, excentricita a směrové efekty. Radiové observatoře hrají klíčovou roli; čistě radiové časování je velmi citlivé, přičemž se využívají velké parabolické antény a interferometrické sítě (radioteleskopy). Pokud je průvodce viditelný v optickém nebo rentgenovém pásmu, doplňková pozorování pomáhají určit typ a hmotnost průvodce.
Testy obecné teorie relativity a gravitační vlny
Binární pulsary jsou jednou z nejpřesnějších laboratorních podmínek pro testování gravitačních zákonů v oblasti silného pole. Pozorování Hulse–Taylorova systému (PSR B1913+16) vedlo k prvnímu nepřímému prokázání existence gravitačních vln díky měřitelnému zkracování oběžné periody, které přesně odpovídalo predikcím obecné teorie relativity. Taková měření a srovnání s teorií poskytují restrikce na alternativní modely gravitace a pomáhají ověřovat parametry relativistických efektů (obecná teorie relativity, silné gravitační pole).
Měření hmotností a vnitřní struktury neutronů
Z časování a relativistických efektů (zejména ze Shapiroova zpoždění) lze často přímo určit hmotnosti obou složek systému s vysokou přesností. Tyto hmotnostní měření jsou zásadní pro omezení rovnic stavu husté jaderné hmoty v jádrech neutronových hvězd, což má důsledky pro jadernou fyziku i astrofyziku kompaktních objektů.
Evoluce a formování
Evoluce binárních pulsarů zahrnuje složité procesy, jako je hromadění a ztráta hmoty, supernovové výbuchy, emise gravitačních vln a změny oběžné dráhy vlivem přílivových a magnetických sil. Mnohé současné modely popisují dráhy vedoucí od širokých binárních systémů přes etapy akrece až po vznik úzkých, rychle rotujících pulsarů. Pozorování populace binárních pulsarů poskytují informace o frekvenci supernov v binárních systémech a o dráze, kterou ubírá dvojhvězdná evoluce.
Příklady a významné systémy
- PSR B1913+16 (Hulse–Taylor): první důkaz energetické ztráty vlivem gravitačních vln.
- PSR J0737-3039: dvojitý pulzar, kde jsou oba členové systémů pulsary, umožnil detailní testy relativistických predikcí.
- Recyklované millisekundové pulsary s bílými trpaslíky: poskytují ukázky akreční historie a spin-upu.
Vědecké využití a zdroje
Studium binárních pulsarů se uplatňuje v testech fundamentálních fyzikálních teorií, ve výzkumu evoluce dvojhvězd, při určování hmotností a v interpretaci gravitačních signálů. Pro podrobnější přehledy a technické popisy lze využít odborné články a přehledové kapitoly, databáze pulsarů a materiály observatoří. Užitečné vstupní body najdete přes obecné odkazy na binární společníky, popisy průvodců průvodce, informace o bílých trpaslících bílí trpaslíci, neutronových hvězdách neutronové hvězdy, testech relativity obecná teorie relativity, vysvětlení silného gravitačního pole silné gravitační pole a technologii pozorování (radioteleskopy).
Relativita
Dva objekty obíhající kolem sebe nemají absolutně kruhovou dráhu, ale prakticky vždy eliptickou. Dvakrát za okruh jsou si tedy nejblíže a dvakrát za okruh jsou nejdále. To je zřejmé pro Zemi a Slunce, ale tato myšlenka platí mnohem šířeji.
Když jsou obě tělesa blízko sebe, gravitační pole je silnější a plynutí času se zpomaluje. U pulsarů se prodlužuje doba mezi jednotlivými pulsy (nebo tiky). Když pulzační hodiny procházejí nejslabší částí pole pomaleji, získávají čas zpět. Jedná se o relativistické zpoždění času. Je to rozdíl mezi tím, co bychom očekávali, že uvidíme, kdyby se pulsar pohyboval v konstantní vzdálenosti a rychlostí kolem svého souputníka, a tím, co skutečně pozorujeme.
Binární pulsary jsou jedním z mála nástrojů, které mají vědci k dispozici pro detekci gravitačních vln. Einsteinova obecná teorie relativity předpovídá, že dvě neutronové hvězdy budou při obíhání kolem společného středu hmoty vyzařovat gravitační vlny, které budou odnášet oběžnou energii a způsobí, že se obě hvězdy k sobě přiblíží. Jak se obě hvězdná tělesa k sobě přibližují, často jeden pulsar pohlcuje hmotu z druhého, což způsobuje prudký proces akrece. Tato interakce může zahřívat plyn vyměňovaný mezi tělesy a produkovat rentgenové světlo, které se může jevit jako pulzující, a proto se dvojhvězdy občas označují jako rentgenové dvojhvězdy. Tento tok hmoty z jednoho hvězdného tělesa na druhé se nazývá akreční disk. Milisekundové pulsary (neboli MSP) vytvářejí jakýsi "vítr", který v případě binárních pulsarů může odfouknout magnetosféru neutronových hvězd a mít dramatický vliv na emisi pulsů.
Historie
První binární pulsar, PSR B1913+16 neboli "Hulse-Taylorův binární pulsar", objevili v roce 1974 v Arecibu Joseph Taylor a Russell Hulse, za což v roce 1993 získali Nobelovu cenu za fyziku. Pulsní signály z tohoto systému byly od jeho objevu sledovány bez závad s přesností na 15 μs.
Nobelovu cenu za rok 1993 získali Joseph Taylor a Russell Hulse poté, co objevili dvě takové hvězdy. Když Hulse pozoroval nový pulsar pojmenovaný PSR B1913+16, všiml si, že frekvence, s níž pulsuje, kolísá. Došel k závěru, že nejjednodušším vysvětlením je, že pulsar obíhá velmi těsně kolem jiné hvězdy vysokou rychlostí. Hulse a Taylor na základě pozorování těchto pulzních fluktuací určili, že obě hvězdy jsou stejně těžké, což je vedlo k domněnce, že druhý prostorový objekt je rovněž neutronová hvězda.
Pozorování rozpadu oběžné dráhy této hvězdné soustavy téměř dokonale odpovídala Einsteinovým rovnicím. Relativita předpovídá, že energie oběžných drah binárního systému se časem přemění na gravitační záření. Údaje o oběžné době PRS B1913+16, které shromáždil Taylor se svými kolegy, tuto relativistickou předpověď potvrdily. V roce 1983 oznámili, že existuje rozdíl v pozorované minimální vzdálenosti obou pulsarů ve srovnání s očekávanou vzdáleností, pokud by orbitální vzdálenost zůstala konstantní. V desetiletí následujícím po objevu se oběžná perioda systému snížila přibližně o 76 miliontin sekundy za rok. To znamená, že se pulsar přiblížil ke své maximální vzdálenosti o více než sekundu dříve, než by tomu bylo v případě, že by dráha zůstala stejná. Následná pozorování toto zkrácení nadále prokazují.
Otázky a odpovědi
Otázka: Co je to binární pulsar?
Odpověď: Binární pulsar je pulsar s binárním společníkem, často bílým trpaslíkem nebo neutronovou hvězdou.
Otázka: Co je průvodcem binárního pulzaru?
Odpověď: Doprovodnou hvězdou binárního pulzaru je často bílý trpaslík nebo neutronová hvězda, ale přinejmenším v jednom případě (dvojitý pulzar PSR J0737-3039) je doprovodnou hvězdou i jiný pulzar.
Otázka: Jaký význam mají binární pulsary ve fyzice?
Odpověď: Binární pulsary mají ve fyzice význam, protože umožňují fyzikům testovat obecnou teorii relativity v případě silného gravitačního pole.
Otázka: Je možné pozorovat průvodce binárního pulzaru?
Odpověď: Obvykle je obtížné nebo nemožné pozorovat hvězdu, která je průvodcem pulsaru.
Otázka: Jak lze změřit čas pulzů z binárního pulzaru?
Odpověď: Čas pulzů binárního pulzaru lze měřit s mimořádnou přesností pomocí radioteleskopů.
Otázka: Co nepřímo potvrdilo časování binárních pulsarů?
Odpověď: Časování binárních pulsarů nepřímo potvrdilo existenci gravitačního záření.
Otázka: Jaká teorie ověřila časování binárních pulsarů?
Odpověď: Časování binárních pulsarů ověřilo Einsteinovu obecnou teorii relativity.
Související články
Autor
AlegsaOnline.com Binární pulsar Leandro Alegsa
URL: https://cs.alegsaonline.com/art/11585
Zdroje
- arxiv.org : arxiv.org/abs/astro-ph/0407149