Az általános relativitást teszteli a hármas rendszerben lévő pulzár

935

Egy pulzár és két fehér törpe alkotja azt az újonnan felfedezett, különleges csillagrendszert, ami nem csak a csillagfejlődésnek, de magának a gravitáció természetének vizsgálatához is egyedi laboratóriumként szolgál.

A milliszekundumos pulzárok, vagyis olyan neutroncsillagok, amelyek több százszor is körbefordulnak egyetlen másodperc alatt, az Univerzum talán legpontosabb égi órái. Mágneses pólusaiktól erős sugárnyalábok indulnak ki: ha a Naprendszer épp beleesik egy ilyen nyaláb irányába, rádiótávcsövek segítségével minden egyes körbefordulás idejét nagyon nagy pontossággal meg lehet határozni. De mi történik, ha az óránk ide-oda táncol a térben?

Csillagászok nemzetközi csoportja, az amerikai Scott Ransom (NRAO) vezetésével, épp egy ilyen objektumot figyelt meg. Három rádiótávcső, Westerborkban (Hollandia), Green Bankben (USA) és Arecibóban (Puerto Rico), két éven át szinte folyamatosan mérte a J0337+1715 jelű pulzár felvillanásait. Az adatok alapján a pulzár két fehér törpe csillaggal alkot hármas rendszert: ez az első eset, hogy két csillaggal közösen alkotott trióban sikerült egy pulzárt azonosítani az égbolton. A hármas hierachikus rendszert alkot: a két fehér törpéből az egyikkel szoros táncot jár a neutroncsillag, 1,6 nap alatt megkerülik egymást. A harmadik csillag már távolabb kering: 327 napba kerül, hogy megtegyen egy kört a másik kettő körül. Ahogy a pulzár oda-vissza kering a két másik csillag hatására, a változó térbeli távolság miatt a felvillanásoknak is hosszabb vagy rövidebb utat kell megtenniük a Földig. A hol késő, hol siető jelekből pedig rekonstruálni lehet a csillagok egymás körüli pályáját.

20140120_harmaspulzar_kep1
A három égitest fantáziarajza: elöl a pulzár a két sugárnyalábbal és az egyik fehér törpe. A másik fehér törpe a háttérben kering körülöttük. Forrás: NRAO Outreach.

A hármas rendszereknek nagy jelentőségük van. Két csillag, Kepler 3. törvényének engedelmeskedve, egyszerű ellipszispályán kering egymás körül. Három égitest esetén azonban már bonyolódik a helyzet: bármelyik kettő mozgását folytonosan befolyásolja az ott sertepertélő harmadik csillag gravitációja. Ezt a pulzár esetében is egyértelműen sikerült kimutatni. A kiterjedt megfigyeléseknek hála, a komponensek tömegét elképesztő pontossággal, 0,1% alatti bizonytalansággal sikerült meghatározni. “A rendszerről gyűjtött megfigyelések segítségével az asztrofizika egyik legpontosabb tömegméréséhez jutottunk.” – mondta el Anne Archibald, a hollandiai ASTRON munkatársa. “A mérési pontosságunk olyan, hogy a jó 10 000 billió km-re lévő csillagok egymáshoz képesti távolságát akár néhány száz méteres pontossággal meg tudtuk határozni.”

20140120_harmaspulzar_kep2
Az ekvivalencia elvének egy nevezetes szemléltetése: Dave Scott, az Apollo-15 űrhajósa, elejt egy kalapácsot és egy madártollat a Holdon. Egyszerre értek le. Forrás: NASA.

De még ennél is fontosabb, hogy a mérések segítségével az általános relativitás egyik alapelvét is tesztelni lehet. Az erős ekvivalencia, vagyis egyenértékűség elve kimondja, hogy egy test által érzékelt gravitációs erő csak attól függ, hogy az Univerzum mely pontjában tartózkodik épp, a test anyagától, fizikai összetételétől azonban független. Ha az erős ekvivalencia elve fennáll, akkor a hihetetlenül sűrű anyagú pulzárnak, és a hozzá képest sokkal ritkább fehér törpének is ugyanúgy kell viselkednie a harmadik csillag erős gravitációs mezejében. Földi kísérletek eddig igazolták az erős ekvivalencia elvét, de a helyben előállítható és vizsgálható anyagok sűrűsége korlátozott, és meg sem közelíti a neutroncsillagokét. Ha a folytatódó mérésekből sikerülne bármi eltérést kimutatni, az azt jelentené, hogy az általános relativitás elmélete is pontosításra szorul majd.

20140120_harmaspulzar_kep3
A három csillag életének fázisai. Forrás: van den Heuvel és Tauris.

De nem csak a Világegyetem alapvető természete vizsgálható a hármas rendszerrel, hanem a csillagok fejlődése is. A fő kérdés, hogy a három csillag együtt jött-e létre, fejlődött, majd élte-e túl valahogy a legnagyobb tag szupernóva-robbanását, vagy a neutroncsillag csak később találkozott a fehér törpével/törpékkel. Ed van den Heuvel (University of Amsterdam) és Thomas Tauris (Argelander Institute/MPIfR Bonn) részletesen modellezték a rendszer fejlődését, és arra jutottak, hogy a három csillag mindig is közös rendszert alkothatott. Az eredményeik alapján kezdetben egy körülbelül 10 naptömegű, kék óriáscsillag és két kisebb, 1,3 és 1,1 naptömegű csillag jött létre, viszonylag távol egymástól. Mint kiderült, az együtt maradás kulcsa az volt, hogy amikor a legnagyobb csillag vörös szuperóriássá fúvódott fel, az anyaga a két kisebb csillagra áramlott. A belső csillag lényegében a vörös óriás igen ritka köpenyében keringett, de a távolira is jutott a kiáramló anyagból. Ennek hatására a kisebb csillagok jóval közelebb spiráloztak a főkomponenshez. Ez szükséges volt ahhoz, hogy ne lökődjenek ki a hamarosan bekövetkező szupernóva-robbanáskor. Később aztán először a külső, majd a belső kisebb társ is vörös óriássá vált, és anyagot adott át a pulzárnak, felgyorsítva annak forgását milliszekundumos sebességekre. Végül a két kisebb csillag is ledobta burkát, és fehér törpévé vált, létrehozva a most látott rendszert. A három csillag tehát átvészelt három anyagátadási fázist és egy szupernóva-robbanást. “A modellünk csak akkor szolgál elfogadható eredményekkel, ha feszegetjük a csillagfejlődésről és kölcsönhatásokról rendelkezésre álló tudásunk határait.” – írja a két szerző a cikk zárásaként. – “A rendszer felfedezése a Tejútban új ablakot nyitott a csillagok asztrofizikájára és a következő évek egyik nagy kihívását fogja jelenteni.”

A hármas rendszert bemutató szakcikk a Nature folyóirat online felületén jelent meg 2014. január 5-én, a modelleket bemutató szakcikk az Astrophysical Journal Letters folyóiratban jelent meg 2014. január 6-án.

Forrás: Astrobites, phys.org

Hozzászólás

hozzászólás