Tänk dig att bara känna 15 personer i världen, och när du upptäcker fler människor, dina kunskaper utökas. Forskare som studerar vår galax står inför något liknande när de gör upptäckter som bygger vår förståelse av universum.

Maura McLaughlin och Duncan Lorimer, professorer i fysik och astronomi vid West Virginia University, har upptäckt ett nytt par pulsarer och har följt upp egenskaperna hos en annan ny duo. Deras forskning kommer att ge insikter i förståelsen av hur många av dessa system som finns och i vilken hastighet de smälter samman i vår galax.

Spindoktorer

Pulsarer är snabbt roterande neutronstjärnor, resterna av massiva stjärnor som har exploderat som supernovor.

När två pulsarer kretsar runt varandra, deras banor kan vara mycket elliptiska, ungefär som Merkurius bana runt solen, men gravitationsattraktionen mellan de två massiva föremålen drar dem gradvis närmare tills de smälter samman. Kollisionen är så enorm att den skickar krusningar genom rum och tid.

"Dessa pulsarer rör sig väldigt snabbt runt varandra, sa Lorimer. Så snabbt, faktiskt, att de börjar testa vår förståelse av gravitationen."

Kosmisk folkräkning

Det finns 2, 500 pulsarer av alla typer i Vintergatan, men bland dem, binära system hittas sällan. Forskare har upptäckt bara 15, men de tror att det kan vara så många som 100, 000.

McLaughlin och medarbetare från universitet i USA och utomlands upptäckte ett nytt binärt system i en långtidsundersökning med hjälp av Arecibo Observatory i Puerto Rico.

"Upptäckten av dubbla neutronstjärnor som kretsar runt varandra är viktig, ", sa McLaughlin. "Men vår upptäckt är också extrem i den meningen att den har en kort omloppstid, vilket gör det potentiellt spännande för gravitationstester."

Den binära omloppsbanan för denna upptäckt är 1,88 timmar. Detta är den kortaste omloppsbanan av något dubbelneutronstjärnes binära system.

Genom att observera binära system, forskare får förståelse för ytterligheter – som tätheter och magnetiska styrkor – som inte förekommer på jorden. Denna nya upptäckt ger en ny förståelse av Einsteins relativitetsteori och förståelsen av gravitationen överlag.

Massiv sammanslagning

I vissa fall, neutronstjärnor i binära system är så långt ifrån varandra att de inte smälter samman och kommer inte att förändras nämnvärt i separation över tiden. Men i sex av systemen, pulsarerna rör sig så snabbt och deras gravitationsattraktion är så stark att de så småningom kommer att smälta samman.

"De närmar sig varandra mycket gradvis, några millimeter om dagen mellan var och en av dem." sa Lorimer. "Vad det betyder är att de kommer att kollidera om 100 miljoner år – vilket inte är långt ur en astronoms perspektiv.”

Så, vad blir resultatet av att två neutronstjärnor går samman?

Sammanslagningen av dessa två massiva, täta föremål är lika spektakulära som våldsamma. När deras omloppsbana blir snävare, det slutar med att de sliter isär varandra, förlora energi som sänds ut i form av gravitationsvågor.

Förra hösten, Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, känd som LIGO, direkt upptäckt gravitationsvågor från en kollision av två neutronstjärnor belägna bortom Vintergatan.

Sean McWilliams, biträdande professor i fysik och astronomi, och Zachariah Etienne, biträdande professor i matematik, och flera WVU doktorander är en del av LIGO forskarteam.

Genom att observera kollisionen av neutronstjärnorna, forskarna kan förstå hur extrem materia, extrem gravitation och elektromagnetisk energi samverkar med varandra.

"De binära systemen som forskare upptäcker i Vintergatan är prototyper av dessa våldsamma sammanslagningar som instrument som LIGO upptäcker bortom vår galax, " sa Lorimer. "Det finns mycket vi kan lära av det."

En annan sorts teleskop

Pulsarer är extremt täta, och när de snurrar, de sänder ut strålar av radiovågor som sveper genom rymden, ungefär som signaler från en fyr.

Forskare använder radioteleskop, som är extremt känsliga vetenskapliga instrument för att upptäcka den elektromagnetiska strålningen från djupt i rymden.

I de första uppgifterna, det är liten skillnad mellan vanliga pulsarer och binära system. Men det finns antydningar i mätningarna av rotationsperioden.

"I ett binärt system, du ser vanligtvis inte båda pulsarerna, eftersom vanligtvis bara en är riktad mot teleskopet, ", sa Lorimer. "Men du ser en spinperiod som vanligtvis är mycket mindre än en genomsnittlig pulsar och varierar snabbt på grund av Dopplerskiften och neutronstjärnorna kretsar runt varandra."

I Arecibo-undersökningen, teleskopet använde sju kameror för att systematiskt observera olika himmelsfläckar vid givna tidpunkter, låter instrumentet täcka mer himmel än normalt. Under nästan 15 år, undersökningen har upptäckt 170 pulsarer.

McLaughlin, Lorimer, och WVU-studenten Nihan Pol följde upp ett annat nytt binärt system som gjorts av forskare vid Max Planck Institute for Radio Astronomy i Tyskland som använde undersökningsdata från Parkes Telescope i Australien.

Forskare genomför uppföljningsforskning med varje pulsar, men när forskare från Max Planck Institute snabbt insåg att de hade upptäckt ett nytt binärt system, de ville göra mer djupgående mätningar.

McLaughlin och Lorimer använde data från Green Bank Telescope för att bestämma de ungefärliga parametrarna för systemet, såsom dess omloppshastighet, ankomsttider och förfall.

"Vi måste göra systematiska uppföljningsobservationer och försöka förstå så mycket vi kan mäta om dessa objekt. Så småningom kommer vi att se förändringar eller signaler som hjälper oss att kartlägga omloppsbanan, " sa Lorimer. "Det är en långsiktig process. Det tar ungefär ett år att reda ut effekterna av jordens omloppsbana."

Ser framåt (och uppåt)

Båda systemen ger oss nu nya insikter om hastigheten med vilken dubbla neutronstjärnor smälter samman.

Systemet som upptäcktes med Arecibo-observatoriet är i en mycket cirkulär bana medan systemet som upptäcktes med Parkes-teleskopet är i en mycket excentrisk, ovalformad bana. Att känna till deras egenskaper, och egenskaperna hos andra system, ger bättre begränsningar för forskarnas förståelse av fusionstakten i Vintergatan.

McLaughlin, Nihan Pol, och Lorimer använder den informationen för att göra förutsägelser om den förväntade detekteringshastigheten för gravitationsvågor från sammanslagningar av dubbla neutronstjärnor i det lokala universum med LIGO.

Deras uppskattningar visar att LIGO borde upptäcka många fler sammanslagningar av dubbla neutronstjärnor under de kommande åren. "Detta kommer att ge oss en kompletterande bild av dessa energiska händelser både i elektromagnetiska och gravitationsvågor och även ge oss ännu mer insikter om hur extrem gravitation fungerar", sa McLaughlin.