En binär pulsar är en pulsar med en binär följeslagare, ofta en vit dvärg eller neutronstjärna. I åtminstone ett fall, den dubbla pulsaren PSR J0737-3039, är följeslagaren också en annan pulsar.

Två pulsarer är ett av de få objekt som gör det möjligt för fysikerna att testa den allmänna relativitetsteorin i ett starkt gravitationsfält. Även om den binära följeslagaren till pulsaren vanligtvis är svår eller omöjlig att observera, kan tidpunkten för pulserna från pulsaren mätas med utomordentlig noggrannhet av radioteleskop. Tidpunkterna för binära pulsarer har indirekt bekräftat existensen av gravitationsstrålning och verifierat Einsteins allmänna relativitetsteori.

Egenskaper

  • Tidsstabila pulser: Pulsarnas radiopulser kommer med mycket regelbundna intervall, vilket gör dem till naturliga klockor. Avvikelser i ankomsttiderna kan spåras till rörelser i ett binärt system och relativistiska effekter.
  • Följeslagartyper: Vanliga följeslagare är vita dvärgar, andra neutronstjärnor eller i vissa fall stjärnor med låg massa. I system där pulsaren tidigare har ackumulerat materia från följeslagaren kan den bli en återuppväckt eller millisekundspulsar med mycket korta pulser.
  • Orbitala effekter: Binära pulsarer uppvisar fenomen som periastronförskjutning (avancerad omloppspunkt), Shapiro-fördröjning, tidsdilatation och gravitationsrödskift — alla konsekvenser av relativitetsteorin i starkt fält.
  • Massmätningar: Genom pulsartiming kan man bestämma både pulsarens och följeslagarens massor med hög precision, vilket är viktigt för studier av neutronstjärnors inre uppbyggnad och materiens tillstånd vid extrema densiteter.

Bildning och evolution

Binära pulsarer bildas genom flera olika kanaler, exempelvis:

  • Två massiva stjärnor i ett binärt system kan båda explodera som supernovor och lämna kvar neutronstjärnor. Om båda överlever kan systemet bli en dubbel neutronstjärna.
  • I ett system med en neutronstjärna och en stjärna av lägre massa kan massöverföring från följeslagaren spinna upp neutronstjärnan till en millisekundspulsar; följeslagaren kan då bli en vit dvärg.
  • Interaktioner i täta stjärnhopar kan också bilda binära pulsarer genom byten och fångst av följeslagare.

Observation och pulsartiming

Pulsartiming innebär att man mäter ankomsttiderna för individuella pulspaket mycket exakt. Små variationer i dessa ankomsttider avslöjar orbital rörelse och relativistiska förskjutningar. Genom att jämföra de observerade tidpunkterna med en noggrant utarbetad modell kan man utvinna parametrar såsom omloppsperiod, excentricitet, projektion av orbitens halvaxel och relativistiska post-Kepler-parametrar.

Dessa mätningar kräver känsliga radioteleskop och långtidsobservationer för att uppnå den precision som behövs för att separera olika effekter och följa långsamma förändringar i systemet.

Tester av allmänna relativitetsteorin

  • Orbital deceleration och gravitationsstrålning: I system som PSR B1913+16 (Hulse–Taylor-pulsaren) observerades en gradvis minskning av omloppsperioden i överensstämmelse med energiförlust genom gravitationsvågor, vilket var ett starkt indirekt bevis för gravitationsstrålning.
  • Periastronförskjutning: Den relativistiska förskjutningen av omloppspunkten kan mätas precis och jämföras med teorins förutsägelser.
  • Shapiro-fördröjning: När pulssignalen passerar nära följeslagarens gravitationsfält upplever den en tidsfördröjning som kan användas för att bestämma systemets lutning och följeslagarens massa.
  • Einstein-delay (gravitationsrödskift och tidsdilatation): Variationer i pulstiming orsakade av den varierande gravitationspotentialen i banan ger ytterligare tester av relativistiska effekter.
  • Dubbelpulsaren PSR J0737-3039: Detta system med två observerbara pulsarer har möjliggjort flera oberoende och precisa tester av allmänna relativitetsteorin i starkfält, inklusive effekter kopplade till spins och tidssynkronisering mellan stjärnorna.

Viktiga exempel och historik

  • PSR B1913+16 (Hulse–Taylor-pulsaren): Upptäckt 1974 och en av de första dubbla neutronstjärne‑systemen där orbital decay mättes — arbetet belönades med Nobelpriset i fysik 1993 för Russell Hulse och Joseph Taylor.
  • PSR J0737-3039: Den dubbla pulsaren där båda komponenterna är observerbara som pulsarer. Systemet har gett mycket precisa tester av relativitetsteorin och unika möjligheter att studera pulsarernas magnetosfärer och interaktioner.

Betydelse

Studiet av binära pulsarer är centralt för både astronomi och fundamentala fysikfrågor. Förutom att testa allmänna relativitetsteorin ger dessa system information om neutronstjärnors massor och därmed om materiens tillstånd vid extrema tätheter. De fungerar också som laboratorier för att förstå stjärnors evolution i binära system och bidrar till vår förståelse av gravitationsvågskällor som senare observerats direkt av interferometriska detektorer.