Pulsars in binaire systemen worden beïnvloed door relativistische effecten, waardoor de spin-assen van elke pulsar in de loop van de tijd van richting veranderen. Een onderzoeksteam onder leiding van Gregory Desvignes van het Max Planck Instituut voor Radioastronomie in Bonn, Duitsland, heeft radiowaarnemingen van de bron PSR J1906+0746 gebruikt om de gepolariseerde emissie over de magnetische pool van de pulsar te reconstrueren en om het verdwijnen van de detecteerbare emissie tegen 2028 te voorspellen. Waarnemingen van dit systeem bevestigen de validiteit van een 50 jaar oud model dat betrekking heeft op de pulsar's straling aan zijn geometrie. De onderzoekers zijn ook in staat om de snelheid van verandering in spinrichting nauwkeurig te meten en vinden een uitstekende overeenkomst met de voorspellingen van Einsteins algemene relativiteitstheorie.

Het experiment is de meest uitdagende test tot nu toe van dit belangrijke effect van relativistische spin-precessie voor sterk zelf-graviterende lichamen. Bovendien, de vorm van de gereconstrueerde radiostraal heeft gevolgen voor de populatie van neutronensterren en de verwachte snelheid van fusies van neutronensterren zoals waargenomen door zwaartekrachtgolfdetectoren zoals LIGO.

De resultaten zijn gepubliceerd in Wetenschap , uitgave 6 september 2019.

Pulsars zijn snel ronddraaiende neutronensterren die 40 procent meer massa concentreren dan de zon - of meer! – in een kleine bol van slechts ongeveer 20 km diameter. Ze hebben extreem sterke magnetische velden en zenden een bundel radiogolven uit langs hun magnetische assen boven elk van hun tegenovergestelde magnetische polen. Door hun stabiele rotatie, een vuurtoreneffect produceert gepulseerde signalen die op aarde aankomen met de nauwkeurigheid van een atoomklok. De grote massa, de compactheid van de bron, en de klokachtige eigenschappen stellen astronomen in staat ze te gebruiken als laboratoria om Einsteins algemene relativiteitstheorie te testen.

De theorie voorspelt dat ruimtetijd wordt gekromd door massieve lichamen zoals pulsars. Een verwacht gevolg is het effect van relativistische spin-precessie in binaire pulsars. Het effect komt voort uit een verkeerde uitlijning van de spinvector van elke pulsar ten opzichte van de totale impulsmomentvector van het binaire systeem, en wordt hoogstwaarschijnlijk veroorzaakt door een asymmetrische supernova-explosie. Deze precessie zorgt ervoor dat de kijkgeometrie varieert, die observatief kan worden getest door systematische veranderingen in het waargenomen polsprofiel te volgen.

Bewijs voor een variabel pulsprofiel toegeschreven aan veranderingen in de kijkgeometrie veroorzaakt door spin-precessie zijn waargenomen en gemodelleerd in de Hulse-Taylor binaire pulsar B1913+16 die de Nobelprijs heeft gewonnen. Andere binaire pulsars laten ook het effect zien, maar geen van hen heeft studies met de precisie en het detailniveau mogelijk gemaakt met PSR J1906+0746.

Het doel is een jonge pulsar met een draaiperiode van 144 milliseconden in een baan van 4 uur rond een andere neutronenster in de richting van het sterrenbeeld Aquila (de Adelaar), vrij dicht bij het vlak van de Melkweg.

"PSR J1906+0746 is een uniek laboratorium waarin we tegelijkertijd de fysica van radiopulsar-emissie kunnen beperken en Einsteins algemene relativiteitstheorie kunnen testen, " zegt Gregory Desvignes van het Max Planck Instituut voor Radioastronomie (MPIfR) in Bonn, de eerste auteur van de studie.

Het onderzoeksteam volgde de pulsar van 2012 tot 2018 met de 305-m Arecibo-radiotelescoop op een frequentie van 1,4 GHz. Die waarnemingen zijn aangevuld met archiefgegevens van de radiotelescopen van Nançay en Arecibo die tussen 2005 en 2009 zijn opgenomen. de beschikbare dataset omvat 47 tijdperken van juli 2005 tot juni 2018.

Het team merkte op dat het aanvankelijk mogelijk was om de tegenovergestelde magnetische polen van de pulsar te observeren, toen zowel de noordelijke als de zuidelijke stralen (in het onderzoek de hoofdpuls en interpuls genoemd) eenmaal per omwenteling naar de aarde werden gericht. Met tijd, de Noordelijke straal verdween en alleen de Zuidelijke straal bleef zichtbaar. Op basis van een gedetailleerde studie van de polarisatie-informatie van de ontvangen emissie, het mogelijk was om een ​​50 jaar oud model toe te passen, voorspellen dat de polarisatie-eigenschappen informatie codeerden over de geometrie van de pulsar. De pulsar-gegevens valideerden het model en stelden het team ook in staat om de precessiesnelheid te meten met een onzekerheidsniveau van slechts 5 procent. strakker dan de meting van de precessiesnelheid in het Double Pulsar-systeem, tot dusver een referentiesysteem voor dergelijke tests. De gemeten waarde komt perfect overeen met de voorspelling van de theorie van Einstein.

"Pulsars kunnen zwaartekracht testen die op geen enkele andere manier kan worden gedaan, " zegt Ingrid Stairs van de University of British Columbia in Vancouver, een co-auteur van de studie. "Dit is nog een mooi voorbeeld van zo'n test."

Bovendien, het team kan de verdwijning en terugkeer van beide voorspellen, Noordelijke en Zuidelijke bundel van PSR J1906+0746. De zuidelijke straal zal rond 2028 uit het zicht verdwijnen en tussen 2070 en 2090 weer verschijnen. De noordelijke straal zou rond 2085-2105 weer moeten verschijnen.

Het 14 jaar durende experiment gaf ook een opwindend inzicht in de weinig begrepen werking van pulsars zelf. Het team realiseerde zich dat de gezichtslijn van onze aarde de magnetische pool in noord-zuid richting was gekruist, waardoor niet alleen een kaart van de pulsarstraal, maar ook een studie van de voorwaarden voor radio-emissie vlak boven de magnetische pool.

"Het is zeer verheugend dat, na enkele decennia, onze gezichtslijn kruist voor het eerst de magnetische pool van een pulsar, het aantonen van de geldigheid van een in 1969 voorgesteld model, " legt Kejia Lee van het Kavli Institute for Astronomy and Astrophysics uit, Peking Universiteit, Peking, een andere co-auteur van het artikel. "In tegenstelling tot, de straalvorm is echt onregelmatig en onverwacht."

De bundelkaart onthult de ware omvang van de pulsarbundel die het deel van de lucht bepaalt dat door de bundel wordt verlicht. Deze parameter beïnvloedt het voorspelde aantal galactische dubbele neutronensterrenpopulaties en, Vandaar, de verwachte zwaartekrachtsgolfdetectiesnelheid voor fusies van neutronensterren.

"Het experiment kostte ons veel tijd om te voltooien, " concludeert Michael Kramer, directeur en hoofd van de onderzoeksafdeling "Fundamental Physics in Radio Astronomy" van MPIfR. "Tegenwoordig, helaas, resultaten moeten vaak snel en snel zijn, terwijl deze pulsar ons zoveel leert. Geduldig en ijverig zijn heeft echt zijn vruchten afgeworpen."