Al 16 jaar observeren wetenschappers een uniek systeem van twee pulserende dode sterren
Terwijl ze ronddraaien, zenden twee pulsars (blauwe cirkels) stralen (geel) uit, geleid door sterke magnetische velden (lichtblauwe donuts). Wanneer de stralen langs de aarde vegen, verschijnen ze als metronoomachtige herhalende blips. De twee pulsars onthulden de effecten van de kromming van de ruimtetijd (weergegeven door het raster, onderaan) veroorzaakt door de pulsars, waarmee de algemene relativiteitstheorie van Einstein werd getest.
Het enige bekende duo van pulsars heeft zojuist een unieke hoop kosmische inzichten onthuld.
Al meer dan 16 jaar observeren wetenschappers het paar pulsars, neutronensterren die lijken te pulseren. De metingen bevestigen Einsteins theorie van de zwaartekracht, de algemene relativiteitstheorie, tot nieuwe niveaus van precisie, en hint naar subtiele effecten van de theorie, rapporteren natuurkundigen in een paper gepubliceerd op 13 december in Fysieke beoordeling X.
Pulsars, draaiende dode sterren gemaakt van dicht opeengepakte neutronen, lijken aan en uit te knipperen vanwege hun vuurtorenachtige stralingsbundels die met regelmatige tussenpozen langs de aarde flitsen. Variaties in de timing van die pulsen kunnen de bewegingen van pulsars en effecten van de algemene relativiteitstheorie blootleggen. Hoewel natuurkundigen veel individuele pulsars hebben gevonden, is er maar één bekend paar dat om elkaar heen draait. De ontdekking in 2003 van het dubbel-pulsarsysteem, genaamd J0737-3039, opende een nieuwe wereld van mogelijke manieren om de algemene relativiteitstheorie te testen.
Een van de pulsars draait ongeveer 44 keer per seconde rond, terwijl de andere ongeveer elke 2,8 seconden ronddraait. De langzamere pulsar werd in 2008 donker als gevolg van een gril van de algemene relativiteitstheorie waardoor zijn stralen uit het zicht werden gedraaid. Maar onderzoekers bleven de resterende zichtbare pulsar volgen en combineerden die nieuwe gegevens met oudere waarnemingen om de precisie van hun metingen te verbeteren.
Nu hebben astrofysicus Michael Kramer van het Max Planck Instituut voor Radioastronomie in Bonn, Duitsland, en collega’s een uitputtend artikel gepubliceerd dat “alles beschrijft”, zegt natuurkundige Clifford Will van de Universiteit van Florida in Gainesville. “Voor mij is het gewoon prachtig.”
Hier zijn vijf inzichten uit de nieuwe studie:
1. Einstein had op zoveel manieren gelijk.
Het pulsar-duo maakt vijf onafhankelijke tests van de algemene relativiteitstheorie in één mogelijk, waarbij wordt gecontroleerd of verschillende eigenschappen van de baan overeenkomen met de voorspellingen van Einsteins theorie. De onderzoekers meten bijvoorbeeld de snelheid waarmee de ellips van de baan draait, of verloopt, om te zien of deze overeenkomt met de verwachtingen. Alle parameters kwamen overeen met Einstein.
Bovendien, zegt astrofysicus Scott Ransom van het National Radio Astronomy Observatory in Charlottesville, Virginia, “is elk van de individuele tests van de algemene relativiteitstheorie zo nauwkeurig geworden dat … effecten van hogere orde van de algemene relativiteitstheorie moeten worden opgenomen om de gegevens te matchen. ” Dat betekent dat de metingen zo veeleisend zijn dat ze hinten naar subtiele eigenaardigheden van de zwaartekracht. “Al die dingen zijn echt geweldig”, zegt Ransom, die niet betrokken was bij het onderzoek.
2. Zwaartekrachtgolven ondermijnen energie.
De waarnemingen laten zien dat de baan van de pulsars krimpt. Door te meten hoe lang de pulsars erover doen om elke baan te voltooien, bepaalden de onderzoekers dat het paar elke dag ongeveer zeven millimeter dichterbij komt.
Dat komt omdat de pulsars tijdens hun baan zwaartekrachtsgolven opwekken, rimpelingen in de ruimtetijd die naar buiten trillen en energie wegdragen (SN: 18/12/15). Deze veelbetekenende krimp werd voor het eerst waargenomen in de jaren zeventig in een systeem met één pulsar en één neutronenster, wat vroeg bewijs levert voor zwaartekrachtsgolven (SN: 16/12/78). Maar het nieuwe resultaat is 25 keer zo nauwkeurig als de eerdere meting.
3. De pulsar verliest massa en dat is belangrijk.
Er is een subtieler effect dat die baan ook aanpast. Pulsars vertragen in de loop van de tijd geleidelijk en verliezen rotatie-energie. En omdat energie en massa twee kanten van dezelfde medaille zijn, betekent dat dat de snellere pulsar ongeveer 8 miljoen ton per seconde verliest.
“Toen ik me dat voor het eerst realiseerde, blies het me echt weg”, zegt Kramer. Hoewel het veel klinkt, komt dat massaverlies neer op slechts een kleine aanpassing van de baan. Voorheen konden wetenschappers dit effect in berekeningen verwaarlozen omdat de tweak zo klein was. Maar de meting van de baan is nu nauwkeurig genoeg om op te nemen.
4. We kunnen zien op welke manier de pulsar draait en dat duidt op zijn oorsprong.
Door de timing van de pulsen te bestuderen terwijl het licht van de ene pulsar zijn metgezel passeert, kunnen wetenschappers zien in welke richting de snellere pulsar draait. De resultaten geven aan dat de pulsar in dezelfde richting draait als waarin hij draait, en dat geeft aanwijzingen over hoe het pulsar-duo is ontstaan.
De twee pulsars begonnen als naburige sterren die na elkaar explodeerden. Wanneer een ster explodeert, wordt het overblijfsel dat hij achterlaat vaak weggegooid, waardoor dergelijke paren uit elkaar vallen. Het feit dat de snellere pulsar in dezelfde richting draait waarin hij draait, betekent dat de explosie die hem heeft gevormd hem niet veel schok heeft gegeven, wat helpt te verklaren hoe de unie intact bleef.
5. We hebben een idee van de straal van de pulsar.
Van zwaartekrachteffecten is bekend dat ze ervoor zorgen dat de ellips van de baan ongeveer 17 graden per jaar vooruitgaat of roteert. Maar er is een subtiele tweak die relevant wordt in de nieuwe studie. De pulsar sleept het weefsel van de ruimtetijd achter zich aan terwijl het ronddraait, als de kronkelende rok van een dansende danseres, en verandert die precessie.
Dit slepende effect houdt in dat de straal van de snellere pulsar minder dan 22 kilometer moet zijn, een schatting die, indien nauwkeuriger gemaakt met toekomstig werk, zou kunnen helpen bij het onthullen van de fysica van de extreem dichte neutronenstermaterie waaruit pulsars bestaan (SN: 4/20/21).
“De auteurs zijn duidelijk zeer nauwgezet geweest in hun studie van dit verbazingwekkende systeem”, zegt astrofysicus Victoria Kaspi van de McGill University in Montreal. “Het is prachtig om te zien dat de dubbele pulsar … inderdaad zijn unieke belofte waarmaakt.”
