Singurul duo cunoscut de pulsari tocmai a dezvăluit o grămadă unică de perspective cosmice.
De peste 16 ani, oamenii de știință au observat perechea de pulsari, stele neutronice care par să pulseze. Măsurătorile confirmă teoria gravitației, relativitatea generală a lui Einstein, la noi niveluri de precizie și indică efectele subtile ale teoriei, raportează fizicienii într-o lucrare publicată pe 13 decembrie în Revizuirea fizică X.
Pulsarii, stele moarte care se rotesc, formate din neutroni dens, par să clipească și să clipească din cauza fasciculelor lor de radiație asemănătoare unui far care trec pe lângă Pământ la intervale regulate. Variațiile în sincronizarea acelor impulsuri pot expune mișcările pulsarilor și efectele relativității generale. În timp ce fizicienii au găsit o mulțime de pulsari individuali, există o singură pereche cunoscută care orbitează unul în jurul celuilalt. Descoperirea din 2003 a sistemului dublu-pulsar, numit J0737-3039, a deschis o nouă lume de posibile moduri de a testa relativitatea generală.
Unul dintre pulsari se rotește de aproximativ 44 de ori pe secundă, în timp ce celălalt se rotește aproximativ o dată la 2,8 secunde. Pulsarul mai lent s-a întunecat în 2008, din cauza unei ciudatenii a relativității generale care și-a rotit fasciculele în afara vederii. Dar cercetătorii au continuat să monitorizeze pulsarul vizibil rămas, combinând acele date noi cu observații mai vechi pentru a îmbunătăți precizia măsurătorilor lor.
Acum, astrofizicianul Michael Kramer de la Institutul Max Planck pentru Radio Astronomie din Bonn, Germania, și colegii săi au lansat o lucrare exhaustivă care „exprimă totul”, spune fizicianul Clifford Will de la Universitatea din Florida din Gainesville. „Pentru mine, este pur și simplu magnific.”
Iată cinci perspective din noul studiu:
1. Einstein a avut dreptate, în multe feluri.
Duo-ul de pulsari permite cinci teste independente de relativitate generală într-unul singur, verificând dacă diferitele proprietăți ale orbitei se potrivesc cu predicțiile teoriei lui Einstein. De exemplu, cercetătorii măsoară viteza cu care elipsa orbitei se rotește, sau precesează, pentru a vedea dacă este de acord cu așteptările. Toți parametrii au fost în conformitate cu Einstein.
Mai mult, spune astrofizicianul Scott Ransom de la National Radio Astronomy Observatory din Charlottesville, Virginia, „fiecare dintre testele individuale de relativitate generală a devenit atât de precis încât… efectele de ordin superior ale relativității generale trebuie incluse pentru a se potrivi cu datele. ” Asta înseamnă că măsurătorile sunt atât de exigente încât sugerează particularități subtile ale gravitației. „Toate aceste lucruri sunt cu adevărat uimitoare”, spune Ransom, care nu a fost implicat în cercetare.
2. Undele gravitaționale reduc energie.
Observațiile arată că orbita pulsarilor se micșorează. Măsurând cât de mult durează pulsarii pentru a finaliza fiecare orbită, cercetătorii au stabilit că perechea se apropie cu aproximativ șapte milimetri în fiecare zi.
Asta pentru că, pe măsură ce orbitează, pulsarii provoacă unde gravitaționale, ondulații în spațiu-timp care vibrează spre exterior, ducând energie (SN: 18/12/15). Această contracție revelatoare a fost observată pentru prima dată în anii 1970 într-un sistem cu un pulsar și o stea neutronică, oferind dovezi timpurii pentru undele gravitaționale (SN: 16/12/78). Dar noul rezultat este de 25 de ori mai precis decât măsurarea anterioară.
3. Pulsarul pierde masă și asta contează.
Există un efect mai subtil care modifică și acea orbită. Pulsarii încetinesc treptat în timp, pierzând energia de rotație. Și pentru că energia și masa sunt două fețe ale aceleiași monede, asta înseamnă că pulsarul mai rapid pierde aproximativ 8 milioane de tone metrice pe secundă.
„Când mi-am dat seama că pentru prima dată, m-a uimit cu adevărat”, spune Kramer. Deși sună mult, această pierdere de masă echivalează cu doar o mică ajustare a orbitei. Anterior, oamenii de știință puteau neglija acest efect în calcule, deoarece modificarea a fost atât de mică. Dar măsurarea orbitei este acum suficient de precisă încât să aibă sens să fie inclusă.
4. Putem spune în ce direcție se învârte pulsarul și asta indică originile sale.
Studiind sincronizarea impulsurilor pe măsură ce lumina unui pulsar trece pe lângă însoțitorul său, oamenii de știință pot spune în ce direcție se învârte pulsarul mai rapid. Rezultatele indică faptul că pulsarul se rotește în aceeași direcție în care orbitează și asta oferă indicii despre modul în care s-a format duo-ul de pulsari.
Cei doi pulsari au început ca stele vecine care au explodat, unul după altul. Adesea, atunci când o stea explodează, rămășița pe care o lasă în urmă este alungată, despărțind astfel de perechi. Faptul că pulsarul mai rapid se rotește în aceeași direcție în care orbitează înseamnă că explozia care l-a format nu i-a dat o zguduire prea mare, ajutând la explicarea modului în care uniunea a rămas intactă.
5. Avem un indiciu despre raza pulsarului.
Se știe că efectele gravitaționale provoacă precesarea sau rotirea elipsei orbitei cu aproximativ 17 grade pe an. Dar există o modificare subtilă care devine relevantă în noul studiu. Pulsarul trage în spate materialul spațiu-timpului în timp ce se învârte, ca fusta răsucită a unui dansator care se învârte, modificând acea precesie.
Acest efect de tragere implică faptul că raza pulsarului mai rapid trebuie să fie mai mică de 22 de kilometri, o estimare care, dacă ar fi făcută mai precisă cu lucrări viitoare, ar putea ajuta la dezvăluirea fizicii materiei extrem de dense a stelelor neutronice care formează pulsarii (SN: 20/04/21).
„Autorii au fost în mod clar foarte meticuloși în studiul lor asupra acestui sistem uimitor”, spune astrofizicianul Victoria Kaspi de la Universitatea McGill din Montreal. „Este minunat să vezi că pulsarul dublu… într-adevăr își îndeplinește promisiunea unică.”