Милисекунден пулсар

Милисекунден пулсар (МСП) ― пулсар со вртежен период помал од околу 10 милисекунди. Милисекундните пулсари се откриени во радио, рендгенските и гама-зрачните делови од електромагнетниот спектар. Водечката хипотеза за потеклото на милисекундните пулсари е дека тие се стари, брзо вртежни неутронски ѕвезди кои биле вртени или „рециклирани“ преку насобирање на материја од придружна ѕвезда во близок двоен систем.^[1][2] Поради оваа причина, милисекундните пулсари понекогаш се нарекувани рециклирани пулсари.

Овој дијаграм ги прикажува чекорите што астрономите велат дека се потребни за да се создаде пулсар со супербрзо вртење. 1. Масивна суперџинска ѕвезда и „нормална“ ѕвезда слична на Сонцето, кружат една околу друга. 2. Масивната ѕвезда експлодира, оставајќи пулсар кој на крајот забавува, се исклучува и станува неутронска ѕвезда која се лади. 3. Ѕвездата слична на Сонцето на крајот се шири, истурајќи материјал кон неутронската ѕвезда. Ова „насобирање“ го забрзува вртењето на неутронската ѕвезда. 4. Насобирањето завршува, неутронската ѕвезда се „рециклира“ во милисекунден пулсар. Но, во густо збиено јато (2b)... Ѕвездите со најмала маса се исфрлаат, преостанатите нормални ѕвезди еволуираат и се случува сценариото за „рециклирање“ (3-4), со што се создаваат многу милисекундни пулсари.

Сметано е дека милисекундните пулсари се поврзани со системи со рендгенски двојни ѕвезди зраци со мала маса. Сметано е дека рендгенските зраци во овие системи се емитувани од насобирачкиот диск на една неутронска ѕвезда, создадени од надворешните слоеви на придружната ѕвезда што го прелеала нејзината Рошеова шуплина. Преносот на аголниот моментум од овој настан на насобирање може да ја зголеми стапката на вртење на пулсарот до стотици пати во секунда, како што е забележано во милисекундните пулсари.

Имало неодамнешни докази дека стандардниот еволутивен модел не успева да ја објасни еволуцијата на сите милисекундни пулсари, особено младите милисекундни пулсари со релативно високи магнетни полиња, на пр. PSR B1937+21. Булент Кизилтан и С. Торсет (Универзитет во Калифорнија, Санта Круз) покажале дека различни милисекундни пулсари мора да настануваат со најмалку две различни постапки.^[3] Но, природата на другата постапка останува мистерија.^[4]

Многу милисекундни пулсари се наоѓаат во збиени јата. Ова е во согласност со хипотезата за нивното настанување, бидејќи крајно високата ѕвездена густина на овие јата имплицира многу поголема веројатност пулсарот да има (или да фати) џиновска придружна ѕвезда. Во моментов има околу 130 милисекунди пулсари познати во збиени јата.^[5] Збиеното јато Терзан 5 содржи 37 од нив, проследено со 47 Тукан со 22 и Mесје 28 и Mесје 15 со по 8 пулсари.

Милисекундните пулсари, кои може да бидат темпирани со голема прецизност, имаат стабилност споредлива со временските стандарди засновани на атомски часовници кога се просечни со децении.^[6][7] Ова, исто така, ги прави многу чувствителни сонди на нивните средини. На пример, сè што е поставено во орбитата околу нив предизвикува периодични Доплерови поместувања во времето на пристигнување на нивните импулси на Земјата, што потоа може да биде анализирано за да биде откриено присуството на придружникот и, со доволно податоци, да бидат обезбедени прецизни мерења на орбитата и масата на телото. Техниката е толку чувствителна што дури и тела толку мали како астероиди можат да бидат откриени ако се случи да кружат околу милисекундниот пулсар. Првите потврдени вонсончеви планети, откриени неколку години пред првите откривања на вонсончеви планети околу „нормални“ ѕвезди слични на Сонцето, биле пронајдени во орбитата околу милисекундниот пулсар PSR B1257+12. Овие планети останале, многу години, единствените тела со маса на Земјата познати надвор од Сончевиот Систем. Еден од нив, PSR B1257+12 D, има уште помала маса, споредлива со онаа на Месечината, и сè уште е денес тело со најмала маса познат надвор од Сончевиот Систем.^[8]

Ограничувања на вртежната брзина на пулсарот

Ѕвездената групација Терзан 5.

Првиот милисекунден пулсар, PSR B1937+21, бил откриен во 1982 година од Бакер и колегите.^[9] Вртејќи приближно 641 пати во секунда, тој останува вториот најбрзо вртечки милисекунден пулсар од приближно 200-те што се откриени.^[10] Пулсарот PSR J1748-2446ad, откриен во 2004 година, е познат пулсар со најбрзо вртење, од 2023 година, кој се врти 716 пати во секунда.^[11][12]

Сегашните модели на структурата и еволуцијата на неутронската ѕвезда предвидуваат дека пулсарите ќе се распаднат ако се вртат со брзина од околу 1500 вртења во секунда или повеќе,^[13][14] и дека со брзина поголема од околу 1000 вртења во секунда тие би изгубиле енергија од гравитациското зрачење побрзо отколку што постапката на насобирање би ги забрзала.^[15]

Во почетокот на 2007 година, податоците од Росиевиот рендгенски временски истражувач и вселенското летало INTEGRAL ја откриле неутронската ѕвезда XTE J1739-285 која врти со 1122 Hz.^[16] Резултатот не е статистички значаен, со ниво на значајност од само 3 сигми. Иако е интересен кандидат за понатамошни набљудувања, сегашните резултати се неубедливи. Сепак, верувано е дека гравитациското зрачење игра улога во забавувањето на брзината на вртење. Еден рендгенски пулсар кој се врти со 599 вртежи во секунда, IGR J00291+5934, е главен кандидат за помагање во откривањето на такви бранови во иднина (повеќето такви рендгенски пулсари се вртат само со околу 300 вртења во секунда).

Забележување на гравитациски бранови со користење на пулсарско темпирање

Гравитациските бранови се важно предвидување од општата теорија на релативноста на Ајнштајн и произлегуваат од масовното движење на материјата, флуктуациите за време на раниот универзум и динамиката на самото време-простор. Пулсарите се брзо вртежни, високо магнетизирани неутронски ѕвезди настанати за време на експлозии на супернова на масивни ѕвезди. Тие дејствуваат како високопрецизни часовници со многу физички примени кои се движат од небесната механика, сеизмологијата на неутронските ѕвезди, испитувањата на гравитацијата на силно поле и галактичката астрономија.

Предлогот да бидат користени пулсарите како забележувачи на гравитациски бранови првично бил направен од Сажин^[17] и Детвајлер^[18] кон крајот на 1970-тите. Идејата е барицентарот на Сончевиот Систем и далечниот пулсар да бидат третирани како спротивни краеви на замислената рака во вселената. Пулсарот делува како референтен часовник на едниот крај од раката и испраќа редовни сигнали кои се надгледуваат од набљудувач на Земјата. Ефектот на минливиот гравитациски бран би бил да ја наруши месната метрика на простор-време и да предизвика промена во набљудуваната вртежна честота на пулсарот.

Парцела на корелација помеѓу пулсарите забележани од NANOGrav (2023) наспроти аголното раздвојување помеѓу пулсарите, во споредба со теоретски модел (пурпурна боја) и ако немало позадина на гравитациски бранови ( зелена боја).^[19][20]

Хелингс и Даунс^[21] ја прошириле оваа идеја во 1983 година на низа пулсари и откриле дека стохастичката позадина на гравитациските бранови ќе произведе четириполарна корелација помеѓу различните парови пулсари како функција од нивните аголни раздвојувања на небото. Оваа работа била ограничена во чувствителност поради прецизноста и стабилноста на пулсарските часовници во низата. По откривањето на првиот милисекунден пулсар во 1982 година, Фостер и Бакер^[22] ја подобриле чувствителноста на гравитациските бранови со примена на Хелингс-Даунсовата анализа во 1990 година на низа од високо стабилни милисекундни пулсари.

Доаѓањето на системите за собирање дигитални податоци, новите радио телескопи и системи за приемници, како и откритијата на многу нови милисекундни пулсари, ја унапредиле чувствителноста на темпирањето на пулсарите на гравитациските бранови во раните фази на меѓународниот напор.^[23] Петгодишното објавување податоци, анализа и првата граница на NANOGrav на стохастичката гравитациска бранова позадина, биле опишани во 2013 година од Деморест и соработниците.^[24] По него следеле деветгодишните и 11-годишните објавувања на податоци во 2015 и 2018 година, соодветно. Секој дополнително ја ограничувал позадината на гравитациските бранови и, во вториот случај, техниките за прецизно одредување на барицентарот на Сончевиот Систем биле рафинирани.

Во 2020 година, соработката го претставила 12,5-годишното објавување на податоци, кое вклучувало силни докази за стохастичка постапка со закон со моќност со заеднички замав на напрегање и спектрален индекс кај сите пулсари, но статистички неубедливи податоци за критичната Хелингс-Даунсова квадруполарна просторна корелација.^[25][26]

Во јуни 2023 година, NANOGrav го објавил 15-годишното објавување на податоци, кое ги содржело првите докази за стохастичка позадина на гравитациски бранови. Конкретно, го вклучило првото мерење на Хелингс-Даунсовата крива,^[27] покажувачкиот знак за потеклото на гравитациските бранови на набљудувањата.^[28][29]