This artist’s impression shows the exotic double object that consists of a tiny, but very heavy neutron star that spins 25 times each second (right), orbited every two and a half hours by a white dwarf star (left). The neutron star is a pulsar named PSR J0348+0432 that is giving off radio waves that can be picked up on Earth by radio telescopes. Although this unusual pair is very interesting in its own right it is also a unique laboratory for testing the limits of physical theories.

As the pulsar is so small the relative sizes of the two objects are not drawn to scale.Rekordowy pulsar przeniósł testy ogólnej teorii względności na nowy obszar

Astronomowie użyli Bardzo Dużego Teleskopu (należącego do ESO), a także radioteleskopów z całego świata, aby znaleźć i zbadać dziwaczną gwiezdną parę składającą się z najbardziej masywnej gwiazdy neutronowej odkrytej do tej pory, okrążającej białego karła. Ten nowy, dziwny układ podwójny pozwala na testy teorii grawitacji Einsteina – ogólnej teorii względności – w sposób, jaki nie był wcześniej dostępny. Jak dotąd nowe obserwacje idealnie zgadzają się z przewidywaniami teorii względności, natomiast są niezgodne z niektórymi alternatywnymi teoriami. Wyniki ukażą się 26 kwietnia 2013 r. w czasopiśmie Science.

---

This artist’s impression shows the exotic double object that consists of a tiny, but very heavy neutron star that spins 25 times each second, orbited every two and a half hours by a white dwarf star. The neutron star is a pulsar named PSR J0348+0432 that is giving off radio waves that can be picked up on Earth by radio telescopes. Although this unusual pair is very interesting in its own right, it is also a unique laboratory for testing the limits of physical theories.

This system is radiating gravitational radiation, ripples in spacetime. Although these waves (shown as the grid in this picture) cannot be yet detected directly by astronomers on Earth they can be sensed indirectly by measuring the change in the orbit of the system as it loses energy.

As the pulsar is so small the relative sizes of the two objects are not drawn to scale.

Międzynarodowy zespół odkrył egzotyczny układ podwójny złożony z niewielkiej, ale nadzwyczajnie masywnej gwiazdy neutronowej, która obraca się 25 razy na sekundę, okrążanej co dwie i pół godziny przez białego karła. Gwiazda neutronowa jest pulsarem, który wysyłka fale radiowe, odbierane przez radioteleskopy na Ziemi. Para ta jest niezwykle interesująca sama w sobie, a dodatkowo stanowi unikalne laboratorium do testowania granic teorii fizycznych.

Pulsar nosi nazwę PSR J0348+0432 i jest pozostałością po wybuchu supernowej. Jest dwukrotnie masywniejszy niż Słońca, ale ma zaledwie 20 kilometrów średnicy. Grawitacja na jego powierzchni jest ponad 300 miliardów razy silniejsza niż na Ziemi, a we wnętrzu objętość równa kostce cukru obejmuje więcej niż miliard ton ściśniętej materii. Towarzyszem pulsara jest biały karzeł, który jest tylko nieco mniej egzotyczny; stanowi świecącą pozostałość po znacznie mniej masywnej gwieździe, która utraciła swoją atmosferę i powoli się ochładza.

„Obserwowałem system za pomocą Bardzo Dużego Teleskopu (VLT), poszukując zmian w świetle emitowanym przez białego karła, spowodowanych jego ruchem wokół pulsara” powiedział John Antoniadis, doktorant w Max Planck Institute for Radio Astronomy (MPIfR) w Bonn, główny autor publikacji. „Wstępne analizy 'na szybko' uświadomiły mi, że pulsar należy do wagi ciężkiej. Ma masę dwukrotnie większą niż Słońce, co czyni go najmasywniejszą gwiazdą neutronową, którą znamy, a także świetnym laboratorium dla podstawowych praw fizyki.”

Ogólna teoria względności Einsteina, która wyjaśnia grawitację jako konsekwencję zakrzywienia czasoprzestrzeni, wywołaną obecnością masy i energii, przetrwała wszystkie testy od momentu jej opublikowania prawie stulecie temu. Ale nie może być ostatecznym wyjaśnieniem i kiedyś musi ponieść porażkę [1].

Fizycy rozwinęli inne teorie grawitacji, które mają przewidywania różne niż ogólna teoria względności. Dla niektórych z tych alternatyw różnice ujawniają się jedynie w ekstremalnie silnych polach grawitacyjnych, których nie ma w Układzie Słonecznym. Pod względem grawitacji PSR J0348+0432 jest prawdziwie ekstremalnym obiektem, nawet w porównaniu do innych pulsarów, które były wykorzystywane do precyzyjnych testów ogólnej teorii względności Einsteina [2]. W tego typu silnych polach grawitacyjnych mały wzrost masy może prowadzić do dużych zmian w czasoprzestrzeni wokół obiektu. Do tej pory astronomowie nie wiedzieli co wydarzy się w przypadku istnienia tak masywnej gwiazdy neutronowej, jak PSR J0348+0432. Jest to unikalna szansa na przeniesienie testów na nowy obszar.

Zespół połączył obserwacje białego karła za pomocą Bardzo Dużego Teleskopu z precyzyjnym timingiem pulsara przy użyciu radioteleskopów [3]. Tak ciasny układ podwójny emituje fale grawitacyjne i traci energię. Powoduje to, że okres orbitalny zmienia się w bardzo niewielkim stopniu, a przewidywania co do tych zmian na podstawie ogólnej teorii względności oraz konkurencyjnych teorii, są różne.

„Nasze obserwacje radiowe były tak precyzyjne, że byliśmy w stanie zmierzyć zmianę okresu orbitalnego na poziomie 8 milionowych części sekundy na rok, czyli dokładnie tyle ile przewiduje teoria Einsteina” deklaruje Paulo Freire, inny członek zespołu.

To dopiero początek szczegółowych badań unikalnego obiektu. Wraz z upływem czasu astronomowie będą używać go do testowania ogólnej teorii względności z jeszcze większą precyzją.

Uwagi

[1] Ogólna teoria względności nie jest spójna z inną wielką teorią fizyki dwudziestego wieku – mechaniką kwantową. W niektórych warunkach przewiduje osobliwości, w których część wartości zmierza do nieskończoności, na przykład w centrum czarnej dziury.

[2] Pierwszy podwójny pulsar, PSR B1913+16, został odkryty przez Josepha Hootona Taylora, Jr. oraz Russella Hulse’a, za co w 1993 rok otrzymali Nagrodę Nobla z Fizyki. Dokładnie zmierzyli zmiany własności tego nadzwyczajnego obiektu i pokazali, że są zgodne ze stratami energii grawitacyjnej przewidywanymi przez ogólną teorię względności.

[3] W pracy użyto danych z radioteleskopów: Effelsberg, Arecibo oraz Green Bank, a także z teleskopów optycznych: Bardzo Dużego Teleskopu  (VLT)  oraz Teleskopu Williama Herschela (WHT).

Więcej informacji

Wyniki badań opisano w artykule “A Massive Pulsar in a Compact Relativistic Orbit”, John Antoniadis et al., który ukaże się w czasopiśmie Science 26 kwietnia 2013 r.

Skład zespołu badawczego: John Antoniadis (Max-Planck-Institut für Radioastronomie [MPIfR], Bonn, Niemcy), Paulo C. C. Freire (MPIfR), Norbert Wex (MPIfR), Thomas M. Tauris (Argelander Institut für Astronomie, Bonn, Niemcy; MPIfR), Ryan S. Lynch (McGill University, Montreal, Kanada), Marten H. van Kerkwijk (University of Toronto, Kanada), Michael Kramer (MPIfR; Jodrell Bank Centre for Astrophysics, The University of Manchester, Wielka Brytania), Cees Bassa (Jodrell Bank), Vik S. Dhillon (University of Sheffield, Wielka Brytania), Thomas Driebe (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Bonn, Niemcy), Jason W. T. Hessels (ASTRON, the Netherlands Institute for Radio Astronomy, Dwingeloo, Holandia; University of Amsterdam, Holandia), Victoria M. Kaspi (McGill University), Vladislav I. Kondratiev (ASTRON; Lebedev Physical Institute, Moscow, Rosja), Norbert Langer (Argelander Institut für Astronomie), Thomas R. Marsh (University of Warwick, Wielka Brytania), Maura A. McLaughlin (West Virginia University), Timothy T. Pennucci (Department of Astronomy, University of Virginia) Scott M. Ransom (National Radio Astronomy Observatory, Charlottesville, USA), Ingrid H. Stairs (University of British Columbia, Vancouver, Kanada), Joeri van Leeuwen (ASTRON; University of Amsterdam), Joris P. W. Verbiest (MPIfR), David G. Whelan (Department of Astronomy, University of Virginia).

ESO jest wiodącą międzyrządową organizacją astronomiczną w Europie i najbardziej produktywnym obserwatorium astronomicznym na świecie. Jest wspierane przez 15 krajów: Austria, Belgia, Brazylia, Czechy, Dania, Finlandia, Francja, Hiszpania, Holandia, Niemcy, Portugalia, Szwajcaria, Szwecja, Wielka Brytania oraz Włochy. ESO prowadzi ambitne programy dotyczące projektowania, konstrukcji i użytkowania silnych naziemnych instrumentów obserwacyjnych, pozwalając astronomom na dokonywanie znaczących odkryć naukowych. ESO odgrywa wiodącą rolę w promowaniu i organizowaniu współpracy w badaniach astronomicznych. ESO zarządza trzema unikalnymi, światowej klasy obserwatoriami w Chile: La Silla, Paranal i Chajnantor. W Paranal ESO posiada Bardzo Duży Teleskop (Very Large Telescope), najbardziej zaawansowane na świecie astronomiczne obserwatorium w świetle widzialnym oraz dwa teleskopy do przeglądów. VISTA pracuje w podczerwieni i jest największym na świecie instrumentem do przeglądów nieba, natomiast VLT Survey Telescope to największy teleskop dedykowany przeglądom nieba wyłącznie w zakresie widzialnym. ESO jest europejskim partnerem dla rewolucyjnego teleskopu ALMA, największego istniejącego projektu astronomicznego. ESO planuje obecnie 39-metrowy Ogromnie Wielki Teleskop Europejski (European Extremely Large optical/near-infrared Telescope - E-ELT), który stanie się “największym okiem świata na niebo”.

Linki

• Zdjęcia VLT

Krzysztof Czart
Centrum Astronomii UMK
Toruń, Polska