Das einzige bekannte Duo von Pulsaren hat gerade einen einzigartigen Haufen kosmischer Erkenntnisse enthüllt.
Seit über 16 Jahren beobachten Wissenschaftler das Pulsarpaar, Neutronensterne, die zu pulsieren scheinen. Die Messungen bestätigen Einsteins Gravitationstheorie und allgemeine Relativitätstheorie auf einem neuen Niveau der Genauigkeit und weisen auf subtile Effekte der Theorie hin, berichten Physiker in einem am 13. Dezember in . veröffentlichten Papier Physische Überprüfung X.
Pulsare, sich drehende tote Sterne aus dicht gepackten Neutronen, scheinen aufgrund ihrer leuchtturmähnlichen Strahlungsstrahlen, die in regelmäßigen Abständen an der Erde vorbeifegen, an und aus zu blinken. Variationen im Timing dieser Pulse können die Bewegungen der Pulsare und die Auswirkungen der allgemeinen Relativitätstheorie aufdecken. Während Physiker viele einzelne Pulsare gefunden haben, gibt es nur ein bekanntes Paar, das sich umkreist. Die Entdeckung des Doppelpulsarsystems J0737-3039 im Jahr 2003 eröffnete eine neue Welt möglicher Möglichkeiten, die Allgemeine Relativitätstheorie zu testen.
Einer der Pulsare wirbelt ungefähr 44 Mal pro Sekunde, während sich der andere ungefähr alle 2,8 Sekunden dreht. Der langsamere Pulsar wurde 2008 dunkel, aufgrund einer Eigenart der Allgemeinen Relativitätstheorie, die seine Strahlen aus dem Blickfeld drehte. Die Forscher überwachten jedoch weiterhin den verbleibenden sichtbaren Pulsar und kombinierten diese neuen Daten mit älteren Beobachtungen, um die Präzision ihrer Messungen zu verbessern.
Nun haben der Astrophysiker Michael Kramer vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn und seine Kollegen ein ausführliches Papier veröffentlicht, das “nur alles aufzeigt”, sagt der Physiker Clifford Will von der University of Florida in Gainesville. “Für mich ist es einfach großartig.”
Hier sind fünf Erkenntnisse aus der neuen Studie:
1. Einstein hatte in vielerlei Hinsicht recht.
Das Pulsar-Duo ermöglicht fünf unabhängige Tests der Allgemeinen Relativitätstheorie in einem und überprüft, ob verschiedene Eigenschaften der Umlaufbahn mit den Vorhersagen von Einsteins Theorie übereinstimmen. Die Forscher messen beispielsweise die Geschwindigkeit, mit der sich die Ellipse der Umlaufbahn dreht oder präzediert, um zu sehen, ob sie den Erwartungen entspricht. Alle Parameter entsprachen Einstein.
Darüber hinaus sagt der Astrophysiker Scott Ransom vom National Radio Astronomy Observatory in Charlottesville, Virginia, „jeder der einzelnen Tests der Allgemeinen Relativitätstheorie ist so präzise geworden, dass … Effekte der Allgemeinen Relativitätstheorie höherer Ordnung einbezogen werden müssen, um den Daten zu entsprechen. ” Das bedeutet, dass die Messungen so genau sind, dass sie auf subtile Besonderheiten der Schwerkraft hindeuten. „All diese Dinge sind wirklich erstaunlich“, sagt Ransom, der nicht an der Forschung beteiligt war.
2. Gravitationswellen verbrauchen Energie.
Die Beobachtungen zeigen, dass die Umlaufbahn der Pulsare schrumpft. Durch die Messung der Zeit, die die Pulsare für jede Umlaufbahn benötigen, stellten die Forscher fest, dass sich das Paar jeden Tag etwa sieben Millimeter nähert.
Das liegt daran, dass die Pulsare auf ihrer Umlaufbahn Gravitationswellen, Wellen in der Raumzeit, die nach außen schwingen und Energie wegtragen (SN: 18.12.15). Diese verräterische Schrumpfung wurde erstmals in den 1970er Jahren in einem System mit einem Pulsar und einem Neutronenstern beobachtet und lieferte frühe Hinweise auf Gravitationswellen (SN: 16.12.78). Aber das neue Ergebnis ist 25-mal so genau wie die frühere Messung.
3. Der Pulsar verliert an Masse und das ist wichtig.
Es gibt auch einen subtileren Effekt, der diesen Orbit optimiert. Pulsare verlangsamen sich im Laufe der Zeit allmählich und verlieren dabei Rotationsenergie. Und weil Energie und Masse zwei Seiten derselben Medaille sind, bedeutet dies, dass der schnellere Pulsar etwa 8 Millionen Tonnen pro Sekunde verliert.
„Als ich das zum ersten Mal gemerkt habe, hat es mich wirklich umgehauen“, sagt Kramer. Obwohl es sich nach viel anhört, entspricht dieser Massenverlust nur einer winzigen Anpassung der Umlaufbahn. Bisher konnten Wissenschaftler diesen Effekt bei Berechnungen vernachlässigen, weil der Tweak so klein war. Aber die Messung der Umlaufbahn ist jetzt so genau, dass es sinnvoll ist, sie einzubeziehen.
4. Wir können erkennen, in welche Richtung sich der Pulsar dreht, und das weist auf seinen Ursprung hin.
Durch die Untersuchung des zeitlichen Ablaufs der Pulse, wenn das Licht eines Pulsars an seinem Begleiter vorbeigeht, können Wissenschaftler feststellen, in welche Richtung sich der schnellere Pulsar dreht. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass sich der Pulsar in die gleiche Richtung wie seine Umlaufbahn dreht, und dies gibt Hinweise darauf, wie sich das Pulsar-Duo gebildet hat.
Die beiden Pulsare begannen als benachbarte Sterne, die nacheinander explodierten. Wenn ein Stern explodiert, wird der Rest, den er hinterlässt, oft weggeschleudert und spaltet solche Paare auf. Die Tatsache, dass sich der schnellere Pulsar in die gleiche Richtung dreht, in die er kreist, bedeutet, dass die Explosion, die ihn bildete, keinen großen Ruck verursachte, was dazu beiträgt, zu erklären, wie die Vereinigung intakt blieb.
5. Wir haben einen Hinweis auf den Radius des Pulsars.
Es ist bekannt, dass Gravitationseffekte dazu führen, dass die Ellipse der Umlaufbahn um etwa 17 Grad pro Jahr präzediert oder rotiert. Aber es gibt eine subtile Optimierung, die in der neuen Studie relevant wird. Der Pulsar zieht das Gewebe der Raumzeit hinter sich her, während er sich dreht, wie der sich drehende Rock einer sich drehenden Tänzerin, und verändert diese Präzession.
Dieser Schleppeffekt impliziert, dass der Radius des schnelleren Pulsars weniger als 22 Kilometer betragen muss.SN: 20.04.21).
„Die Autoren haben dieses erstaunliche System eindeutig sehr akribisch studiert“, sagt die Astrophysikerin Victoria Kaspi von der McGill University in Montreal. „Es ist wunderbar zu sehen, dass der Doppelpulsar … tatsächlich hält, was er verspricht.“