Миллисекундный пульсар
Миллисекундный пульсар ( MSP ) — это пульсар с периодом вращения менее 10 миллисекунд . Миллисекундные пульсары были обнаружены в радио- , рентгеновской и гамма- частях электромагнитного спектра . Основная гипотеза происхождения миллисекундных пульсаров заключается в том, что это старые, быстро вращающиеся нейтронные звезды , которые были раскручены или «переработаны» в результате аккреции вещества от звезды-компаньона в тесной двойной системе. [1] [2] По этой причине миллисекундные пульсары иногда называют переработанными пульсарами .
Считается, что миллисекундные пульсары связаны с рентгеновскими двойными системами малой массы. Считается, что рентгеновские лучи в этих системах испускаются аккреционным диском нейтронной звезды, образованным внешними слоями звезды-компаньона, вышедшей из своей полости Роша . Передача углового момента от этого события аккреции может увеличить скорость вращения пульсара до сотен раз в секунду, как это наблюдается у миллисекундных пульсаров.
Недавно были получены доказательства того, что стандартная эволюционная модель не может объяснить эволюцию всех миллисекундных пульсаров, особенно молодых миллисекундных пульсаров с относительно высокими магнитными полями, например PSR B1937+21 . Бюлент Кизилтан и С.Э. Торсетт ( UCSC ) показали, что разные миллисекундные пульсары должны формироваться как минимум в результате двух различных процессов. [3] Но природа другого процесса остается загадкой. [4]
Многие миллисекундные пульсары находятся в шаровых скоплениях . Это согласуется с гипотезой их формирования со спином вверх, поскольку чрезвычайно высокая звездная плотность этих скоплений предполагает гораздо более высокую вероятность того, что пульсар будет иметь (или захватывать) гигантскую звезду-компаньон. В настоящее время в шаровых скоплениях известно около 130 миллисекундных пульсаров. [5] Шаровое скопление Терзан 5 содержит 37 из них, за ним следуют 47 Тукан с 22 пульсарами, а также M28 и M15 с 8 пульсарами в каждом.
Миллисекундные пульсары, время которых можно определить с высокой точностью, имеют стабильность, сравнимую со атомных часов , если усреднить их за десятилетия. стандартами времени на основе [6] [7] Это также делает их очень чувствительными зондами окружающей среды. Например, все, что находится на орбите вокруг них, вызывает периодические доплеровские сдвиги во времени прибытия импульсов на Землю, которые затем можно проанализировать, чтобы выявить присутствие компаньона и, при наличии достаточного количества данных, обеспечить точные измерения орбиты и массы объекта. . Этот метод настолько чувствителен, что можно обнаружить даже такие маленькие объекты, как астероиды, если они вращаются вокруг миллисекундного пульсара. Первые подтвержденные экзопланеты , открытые за несколько лет до первых обнаружений экзопланет вокруг «нормальных» солнечных звезд, были обнаружены на орбите миллисекундного пульсара PSR B1257+12 . Эти планеты в течение многих лет оставались единственными объектами земной массы, известными за пределами Солнечной системы . Один из них, PSR B1257+12 D , имеет еще меньшую массу, сравнимую с массой Луны , и до сих пор является объектом наименьшей массы, известным за пределами Солнечной системы. [8]
Ограничения скорости вращения пульсара
[ редактировать ]
Первый миллисекундный пульсар, PSR B1937+21 , был открыт в 1982 году Бэкером и др . [9] Вращаясь примерно 641 раз в секунду, он остается вторым по скорости вращения миллисекундным пульсаром из примерно 200 открытых. [10] Пульсар PSR J1748-2446ad , открытый в 2004 году, является самым быстровращающимся пульсаром из известных по состоянию на 2023 год: он вращается со скоростью 716 раз в секунду. [11] [12]
Современные модели структуры и эволюции нейтронных звезд предсказывают, что пульсары распались бы, если бы вращались со скоростью c. 1500 вращений в секунду и более, [13] [14] и что при скорости более 1000 вращений в секунду они будут терять энергию из-за гравитационного излучения быстрее, чем их ускорит процесс аккреции. [15]
В начале 2007 года данные Rossi X-ray Timing Explorer и космического корабля INTEGRAL обнаружили нейтронную звезду XTE J1739-285, вращающуюся с частотой 1122 Гц. [16] Результат не является статистически значимым, уровень значимости составляет всего 3 сигмы . Хотя это интересный кандидат для дальнейших наблюдений, текущие результаты неубедительны. Тем не менее, считается, что гравитационное излучение играет роль в замедлении скорости вращения. Один рентгеновский пульсар , вращающийся со скоростью 599 оборотов в секунду, IGR J00291+5934 , является главным кандидатом для обнаружения таких волн в будущем (большинство таких рентгеновских пульсаров вращаются только со скоростью около 300 оборотов в секунду).
Обнаружение гравитационных волн с использованием синхронизации пульсаров
[ редактировать ]Гравитационные волны Эйнштейна являются важным предсказанием общей теории относительности и являются результатом объемного движения материи, флуктуаций в ранней Вселенной и динамики самого пространства-времени . Пульсары — это быстро вращающиеся сильно намагниченные нейтронные звезды, образовавшиеся во время взрывов сверхновых массивных звезд. Они действуют как высокоточные часы и имеют множество физических применений, начиная от небесной механики, сейсмологии нейтронных звезд, испытаний гравитации в сильном поле и галактической астрономии.
Предложение использовать пульсары в качестве детекторов гравитационных волн первоначально было сделано Сажиным. [17] и Детвейлер [18] в конце 1970-х годов. Идея состоит в том, чтобы рассматривать барицентр Солнечной системы и далекий пульсар как противоположные концы воображаемого рукава в космосе. Пульсар действует как эталонные часы на одном конце рукава, посылая регулярные сигналы, которые отслеживаются наблюдателем на Земле. Эффект проходящей гравитационной волны должен был бы возмутить локальную метрику пространства-времени и вызвать изменение наблюдаемой частоты вращения пульсара.
Хеллингс и Даунс [21] в 1983 году распространил эту идею на группу пульсаров и обнаружил, что стохастический фон гравитационных волн будет вызывать квадруполярную корреляцию между различными парами пульсаров в зависимости от их углового расстояния на небе. Чувствительность этой работы была ограничена точностью и стабильностью пульсарных часов в группе. После открытия первого миллисекундного пульсара в 1982 году Фостер и Бэкер [22] улучшил чувствительность к гравитационным волнам, применив в 1990 году анализ Хеллингса-Даунса к множеству высокостабильных миллисекундных пульсаров.
Появление цифровых систем сбора данных, новых радиотелескопов и приемных систем, а также открытие множества новых миллисекундных пульсаров повысило чувствительность системы синхронизации пульсаров к гравитационным волнам на ранних этапах международных усилий. [23] Публикация данных за пять лет, анализ и первый предел NANOGrav на фоне стохастических гравитационных волн были описаны в 2013 году Деморестом и др. [24] За этим последовали публикации данных за девять и 11 лет в 2015 и 2018 годах соответственно. Каждый из них еще больше ограничивал фон гравитационных волн, а во втором случае были усовершенствованы методы точного определения барицентра Солнечной системы.
В 2020 году сотрудничество представило выпуск данных за 12,5 лет, который включал в себя убедительные доказательства степенного стохастического процесса с общей амплитудой деформации и спектральным индексом для всех пульсаров, но статистически неубедительные данные для критической квадруполярной пространственной корреляции Хеллингса-Даунса. [25] [26]
В июне 2023 года НАНОГрав опубликовал данные за 15 лет, в которых содержались первые доказательства стохастического фона гравитационных волн . В частности, оно включало первое измерение кривой Хеллингса-Даунса, [27] контрольный признак гравитационно-волнового происхождения наблюдений. [28] [29]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Бхаттачарья, Д.; Ван Ден Хеувел, EPJ (1991). «Формирование и эволюция двойных и миллисекундных радиопульсаров». Отчеты по физике . 203 (1–2): 1. Бибкод : 1991PhR...203....1B . дои : 10.1016/0370-1573(91)90064-S .
- ^ Таурис, ТМ; Ван Ден Хеувел, EPJ (2006). Формирование и эволюция компактных звездных источников рентгеновского излучения . Бибкод : 2006csxs.book..623T .
- ^ Кызылтан, Бюлент; Торсетт, SE (2009). «Ограничения на эволюцию пульсаров: совместное распределение миллисекундных пульсаров с нисходящим периодом вращения». Письма астрофизического журнала . 693 (2): Л109–Л112. arXiv : 0902.0604 . Бибкод : 2009ApJ...693L.109K . дои : 10.1088/0004-637X/693/2/L109 . S2CID 2156395 .
- ^ Найе, Роберт (2009). «Удивительная сокровищница гамма-пульсаров» . Небо и телескоп .
- ^ Фрейре, Пауло. «Пульсары в шаровых скоплениях» . Обсерватория Аресибо . Проверено 18 января 2007 г.
- ^ Мацакис, Д.Н.; Тейлор, Дж. Х.; Юбэнкс, ТМ (1997). «Статистика для описания стабильности пульсаров и часов» (PDF) . Астрономия и астрофизика . 326 : 924–928. Бибкод : 1997A&A...326..924M . Архивировано из оригинала (PDF) 25 июля 2011 г. Проверено 3 апреля 2010 г.
- ^ Хартнетт, Джон Г.; Люитен, Андре Н. (7 января 2011 г.). «Коллоквиум: Сравнение астрофизических и земных стандартов частоты». Обзоры современной физики . 83 (1): 1–9. arXiv : 1004.0115 . Бибкод : 2011РвМП...83....1H . дои : 10.1103/revmodphys.83.1 . ISSN 0034-6861 . S2CID 118396798 .
- ^ Расио, Фредерик (2011). «Открытие планет вблизи пульсаров» . Наука . дои : 10.1126/science.1212489 .
- ^ Бэкер, округ Колумбия; Кулкарни, СР; Хейлс, К.; Дэвис, ММ; Госс, WM (1982), «Миллисекундный пульсар», Nature , 300 (5893): 615–618, Bibcode : 1982Natur.300..615B , doi : 10.1038/300615a0 , S2CID 4247734
- ^ «База данных пульсаров ATNF» . Проверено 17 мая 2009 г.
- ^ Хессельс, Джейсон; Рэнсом, Скотт М.; Лестница, Ингрид Х.; Фрейре, Поль CC; Касл, Виктория М. ; Камило, Фердинанд (2006). «Радиопульсар, вращающийся на частоте 716 Гц» Наука 311 (5769): 1901–1904. arXiv : astro-ph/0601337 . Бибкод : 2006Sci... 311.1901H дои : 10.1126/science.1123430 . ПМИД 16410486 . S2CID 14945340 .
- ^ Найе, Роберт (13 января 2006 г.). «Вращающийся пульсар бьет рекорд» . Небо и телескоп . Архивировано из оригинала 29 декабря 2007 г. Проверено 18 января 2008 г.
- ^ Кук, Великобритания; Шапиро, СЛ; Теукольский С.А. (1994). «Переработка пульсаров в миллисекундные периоды в общей теории относительности». Письма астрофизического журнала . 423 : 117–120. Бибкод : 1994ApJ...423L.117C . дои : 10.1086/187250 .
- ^ Гензель, П.; Ласота, Япония; Здуник, Дж. Л. (1999). «О минимальном периоде равномерно вращающихся нейтронных звезд». Астрономия и астрофизика . 344 : 151–153. Бибкод : 1999A&A...344..151H .
- ^ Чакрабарти, Д.; Морган, Э.Х.; Муно, член парламента; Галлоуэй, Дания; Вейнандс, Р.; ван дер Клис, М.; Марквардт, CB (2003). «Ядерные миллисекундные пульсары и максимальная частота вращения нейтронных звезд». Природа . 424 (6944): 42–44. arXiv : astro-ph/0307029 . Бибкод : 2003Natur.424...42C . дои : 10.1038/nature01732 . ПМИД 12840751 . S2CID 1938122 .
- ^ Кизилтан, Бюлент; Торсетт, Стивен Э. (19 февраля 2007 г.). «Интеграл указывает на самую быстровращающуюся нейтронную звезду» . Космический полет сейчас . 693 (2). Европейское космическое агентство . arXiv : 0902.0604 . Бибкод : 2009ApJ...693L.109K . дои : 10.1088/0004-637X/693/2/L109 . S2CID 2156395 . Проверено 20 февраля 2007 г.
- ^ Сажин, М.В. (1978). «Возможности обнаружения сверхдлинных гравитационных волн». Сов. Астрон. 22 : 36–38. Бибкод : 1978СвА....22...36С .
- ^ Детвейлер, С.Л. (1979). «Измерения времени пульсаров и поиск гравитационных волн». Астрофизический журнал . 234 : 1100–1104. Бибкод : 1979ApJ...234.1100D . дои : 10.1086/157593 .
- ^ «Щитовая квадратная капча» . iopscience.iop.org .
- ^ «Спустя 15 лет определение времени пульсаров свидетельствует о наличии фона космических гравитационных волн» . Беркли . 11 августа 2022 г.
- ^ Хеллингс, РВ; Даунс, Г.С. (1983). «Верхние пределы фона изотропного гравитационного излучения на основе анализа времени пульсаров» . Письма астрофизического журнала . 265 : L39–L42. Бибкод : 1983ApJ...265L..39H . дои : 10.1086/183954 .
- ^ Фостер, РС; Бэкер, округ Колумбия (1990). «Построение временной решетки пульсаров». Астрофизический журнал . 361 : 300–308. Бибкод : 1990ApJ...361..300F . дои : 10.1086/169195 .
- ^ Хоббс, Г.; и др. (2010). «Проект Международного проекта Pulsar Timing Array: использование пульсаров в качестве детектора гравитационных волн». Классическая и квантовая гравитация . 27 (8): 084013. arXiv : 0911.5206 . Бибкод : 2010CQGra..27h4013H . дои : 10.1088/0264-9381/27/8/084013 . S2CID 56073764 .
- ^ Деморест, П.; и др. (2013). «Пределы стохастического фона гравитационных волн от Североамериканской наногерцовой обсерватории гравитационных волн». Астрофизический журнал . 762 (2): 94–118. arXiv : 1201.6641 . Бибкод : 2013ApJ...762...94D . дои : 10.1088/0004-637X/762/2/94 . S2CID 13883914 .
- ^ Арзуманян, Завен; Бейкер, Пол Т.; Блумер, Харша; Бечи, Бенс; Брейзер, Адам; Брук, Пол Р.; Берк-Сполаор, Сара; Чаттерджи, Шами; Чен, Сиюань; Кордес, Джеймс М.; Корниш, Нил Дж.; Кроуфорд, Фронфилд; Кромарти, Х. Благодарный; Децесар, Меган Э.; Деморест, Пол Б. (01 декабря 2020 г.). «Набор данных NANOGrav за 12,5 лет: поиск изотропного стохастического гравитационно-волнового фона» . Астрофизический журнал . 905 (2): Л34. arXiv : 2009.04496 . Бибкод : 2020ApJ...905L..34A . дои : 10.3847/2041-8213/abd401 . ISSN 0004-637X . S2CID 221586395 .
- ^ О'Нил, Ян; Кофилд, Калла (11 января 2021 г.). «Поиск гравитационных волн нашел новую заманчивую загадку» . НАСА . Проверено 11 января 2021 г.
- ^ «Кривая Хеллингса и Даунса» . astro.vaporia.com . Проверено 29 июня 2023 г.
- ^ Агази, Габриэлла; Анумарлапуди, Акаш; Арчибальд, Энн М.; Арзуманян, Завен; Бейкер, Пол Т.; Бечи, Бенс; Блеха, Лаура; Брейзер, Адам; Брук, Пол Р.; Берк-Сполаор, Сара; Бернетт, Рэнд; Кейс, Робин; Чариси, Мария; Чаттерджи, Шами; Хациоанну, Катерина (01 июля 2023 г.). «Набор данных NANOGrav за 15 лет: доказательства гравитационно-волнового фона» . Письма астрофизического журнала . 951 (1): Л8. arXiv : 2306.16213 . Бибкод : 2023ApJ...951L...8A . дои : 10.3847/2041-8213/acdac6 . ISSN 2041-8205 . S2CID 259274684 .
- ^ Коллаборация НАНОГрав (29 июня 2023 г.). «Сосредоточьтесь на 15-летнем наборе данных NANOGrav и фоне гравитационных волн» . Письма астрофизического журнала .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- «Каталог миллисекундных пульсаров» . 30 сентября 2013 г.
- « Как миллисекундные пульсары вращаются так быстро ». Вселенная сегодня .
- « Быстро вращающаяся звезда может испытать гравитационные волны ». Новый учёный .
- « Астрономические кружащиеся дервиши хорошо скрывают свой возраст ». Астрономия сейчас .
- Аудио: Каин/Гей — состав участников Pulsars Astronomy — ноябрь 2009 г.
| Типы | |
|---|---|
| Одиночные пульсары |
|
| Двойные пульсары | |
| Характеристики | |
| Связанный | |
| Открытие | |
| Спутник расследование | |
| Другой | |
