Pulsarer i binära system påverkas av relativistiska effekter, vilket får varje pulsars rotationsaxlar att ändra riktning med tiden. En forskargrupp ledd av Gregory Desvignes från Max Planck Institute for Radio Astronomy i Bonn, Tyskland, har använt radioobservationer av källan PSR J1906+0746 för att rekonstruera den polariserade emissionen över pulsarens magnetiska pol och för att förutsäga försvinnandet av den detekterbara emissionen till 2028. Observationer av detta system bekräftar giltigheten av en 50 år gammal modell som relaterar pulsars strålning till dess geometri. Forskarna kan också exakt mäta förändringshastigheten i spinnriktningen och hitta en utmärkt överensstämmelse med förutsägelserna i Einsteins allmänna relativitetsteori.

Experimentet är det mest utmanande testet hittills av denna viktiga effekt av relativistisk spinprecession för starkt självgraviterande kroppar. Dessutom, den rekonstruerade radiostråleformen har implikationer för populationen av neutronstjärnor och den förväntade hastigheten av neutronstjärnes sammanslagningar som observeras av gravitationsvågsdetektorer som LIGO.

Resultaten publiceras i Vetenskap , nummer 6 september 2019.

Pulsarer är snabbt snurrande neutronstjärnor som koncentrerar 40 procent mer massa än solen – eller mer! – in i en liten sfär med endast cirka 20 km diameter. De har extremt starka magnetfält och sänder ut en stråle av radiovågor längs deras magnetiska axlar ovanför var och en av deras motsatta magnetiska poler. På grund av deras stabila rotation, en fyreffekt producerar pulsade signaler som anländer till jorden med en atomklockas noggrannhet. Den stora massan, källans kompakthet, och de klockliknande egenskaperna tillåter astronomer att använda dem som laboratorier för att testa Einsteins allmänna relativitetsteori.

Teorin förutspår att rumtiden kröks av massiva kroppar som pulsarer. En förväntad konsekvens är effekten av relativistisk spinprecession i binära pulsarer. Effekten uppstår från en felinriktning av spinvektorn för varje pulsar med avseende på den totala vinkelmomentvektorn för det binära systemet, och orsakas med största sannolikhet av en asymmetrisk supernovaexplosion. Denna precession gör att visningsgeometrin varierar, som kan testas observationellt genom att övervaka systematiska förändringar i den observerade pulsprofilen.

Bevis för en variabel pulsprofil som tillskrivs förändringar i visningsgeometrin orsakad av spinprecession har observerats och modellerats i den Nobelprisbelönta Hulse-Taylor binära pulsaren B1913+16. Andra binära pulsarer visar också effekten, men ingen av dem har tillåtit studier med den precision och detaljnivå som kan erhållas med PSR J1906+0746.

Målet är en ung pulsar med en snurrperiod på 144 millisekunder i en 4-timmars bana runt en annan neutronstjärna i riktning mot konstellationen Aquila (örnen), ganska nära Vintergatans plan.

"PSR J1906+0746 är ett unikt laboratorium där vi samtidigt kan begränsa radiopulsaremissionsfysiken och testa Einsteins allmänna relativitetsteori, säger Gregory Desvignes från Max Planck Institute for Radio Astronomy (MPIfR) i Bonn, studiens första författare.

Forskargruppen övervakade pulsaren från 2012 till 2018 med 305-m Arecibo-radioteleskopet vid en frekvens på 1,4 GHz. Dessa observationer kompletterades med arkivdata från radioteleskopen Nançay och Arecibo inspelade mellan 2005 och 2009. Totalt den tillgängliga datamängden omfattar 47 epoker från juli 2005 till juni 2018.

Teamet märkte att det till en början var möjligt att observera pulsarens motsatta magnetiska poler, när både norra och södra strålar (refererade till som huvudpuls och interpuls i studien) pekade mot jorden en gång per rotation. Med tid, den norra strålen försvann och endast den södra var synlig. Baserat på en detaljerad studie av polarisationsinformationen för den mottagna emissionen, det var möjligt att använda en 50-årig modell, förutsäga att polarisationsegenskaperna kodade information om pulsarens geometri. Pulsardata validerade modellen och gjorde det också möjligt för teamet att mäta precessionshastigheten med endast 5 procents osäkerhetsnivå, snävare än precessionshastighetsmätningen i Double Pulsar-systemet, ett referenssystem för sådana tester hittills. Det uppmätta värdet stämmer perfekt överens med förutsägelsen av Einsteins teori.

"Pulsars kan ge gravitationstester som inte kan göras på något annat sätt, säger Ingrid Stairs från University of British Columbia i Vancouver, en medförfattare till studien. "Detta är ännu ett vackert exempel på ett sådant test."

Dessutom, teamet kan förutsäga bådas försvinnande och återuppkomst, Norra och södra strålen av PSR J1906+0746. Den södra strålen kommer att försvinna från siktlinjen omkring 2028 och dyka upp igen mellan 2070 och 2090. Den norra strålen bör dyka upp igen omkring 2085–2105.

Det 14 år långa experimentet gav också en spännande inblick i pulsarernas föga förstådda funktion. Teamet insåg att vår jords siktlinje hade korsat den magnetiska polen i nord-sydlig riktning, tillåter inte bara en karta över pulsarstrålen, men också en studie av förutsättningarna för radioemission precis ovanför den magnetiska polen.

"Det är mycket glädjande att efter flera decennier, vår siktlinje korsar en pulsars magnetiska pol för första gången, som visar giltigheten av en modell som föreslogs 1969, " förklarar Kejia Lee från Kavli Institute for Astronomy and Astrophysics, Peking University, Peking, en annan medförfattare till tidningen. "I kontrast, strålformen är verkligen oregelbunden och oväntad."

Strålkartan avslöjar den verkliga utsträckningen av pulsarstrålen som bestämmer den del av himlen som är upplyst av strålen. Denna parameter påverkar det förutsagda antalet galaktiska dubbelneutronstjärnor och, därav, den förväntade gravitationsvågsdetekteringshastigheten för sammanslagningar av neutronstjärnor.

"Experimentet tog oss lång tid att slutföra, avslutar Michael Kramer, direktör och chef för MPIfR:s forskningsavdelning "Fundamental Physics in Radio Astronomy". "Dessa dagar, tyvärr, resultaten måste ofta vara snabba och snabba, medan denna pulsar lär oss så mycket. Att vara tålmodig och flitig har verkligen lönat sig."