Układy podwójne, a ogólna teoria względności

Obserwacje ciasnych układów, o masywnych składnikach pozwalają na badanie teorii relatywistycznych. Dobitnym przykładem jest odkrycie przez Hulse'a i Taylora się orbity ( w wyniku zakrzywienia przestrzeni) o ok. 3.1 mm na okres u pulsara PSR 1913+16, będącego w układzie podwójnym z inną gwiazdą. Oznaczało to, że za 300 milionów lat gwiazdy te winny się spotkać (pomijając inne efekty). Było to pierwsze takie potwierdzenie przewidywań ogólnej teorii względności, za które to w 1993r. otrzymali oni Nagrodę Nobla.

Rys. 9 Rysunek przedstawiający skracanie się orbity pulsara PSR 1913+16 z czasem  
 

Podstawowe dane o układzie:  
 
- masa składników: M₁ = M₂ = 1.4 M_sun

- min odległość: 1.1 R_sun

- max odległość: 4.8 R_sun

- promienie: R = 20 km

- okres pulsara: 59 ms  
 
 

• Układy podwójne - 2 pulsary:

X.2004r. potwierdzono odkrycie podwójnego układu, złożonego z 2 pulsarów.

To odkrycie daje nowe możliwości testowania teorii relatywistycznych. W tym układzie relatywistyczna presesja orbity d/dt = 17 deg/yr (dla Merkurego 0.00012 deg/yr). Jest to tzw. efekt Shipiro, czyli opóźnienie czasu przyjścia pulsu związane z propagacją promieniowania w polu grawitacyjnym towarzysza, który jest pokazany na wykresie obok.

Rys. 10 Zależność residuum pulsara od fazy (ruchu orbitalnego)  
 

Podstawowe dane o układzie:

PA = 22.7 ms BA = 6*109 G = 6*105 T dEA/dt = 6*1033 erg/s = 6*1026 W

PB = 2.77 s BB = 1.6*1012 G = 1.6*108 T dEB/dt = 1.6*1030 erg/s = 1.6*1023 W

• Układy podwójne - czarna dziura:

Niestety, jeszcze nie udało nam się znaleźć takiego układu, a było by to idealne laboratorium ekstremalnej fizyki. Przede wszystkim pozwoliło by badać efekty fizyki ultrarelatywistycznej, a także służyło by sprawdzeniu efektu: zgodnie z ogólną teorią względności impuls od pulsara powinien przyśpieszać, gdy jego kierunek jest zgodny z rotacją czarnej dziury. Jest to jedyna znana nam metoda bezpośredniego stwierdzenia rotacji czarnej dziury.

• Układy planetarne:  
   
  

Warunek jaki przyjmujemy na planetę to: masa rzędu 1/20 M_Earth - 60 M_Jupiter

Istnieją trzy znane nam możliwości by pulsar posiadał planety:

a) Planety zostają po wybuchu:

Prawdopodobieństwo jest oceniane na 3% (choć mała dawka statystyczna - ledwo 2 układy planetarne są nam znane), a szansa pojawia się przy wybuchu niesymetrycznym i gdy pulsar dogania odrzucone wcześniej planety.  

b) Przechwyt:

Prawdopodobieństwo rzędu 1/wiek wszechświata (trochę więcej dla gromad kulistych)  

c) Stworzenie nowych:

Jeżeli materia powraca ze zderzenia z materią międzygwiazdową to wokół pulsara utworzy się dysk akrecyjny i jest szansa na stworzenie nowych planet, a szacowany czas potrzebny na to wynosi 10⁷lat. Jednak proces można skrócić do 10⁶ lat, jeśli dysk powstaje wskutek rozpadu białego karła (i jak sądzimy, tak powstały oba znane nam układy planetarne).  

d) Co jeszcze?  
 
Jest jeszcze wiele gałęzi fizyki i astronomii, w których pulsary mogą okazać się pomocne. W skrócie wymieniając mogą one służyć do np.: badania pola magnetycznego galaktyk, fizyki plazmy, oceny odległości do pulsarów (efekt Dopplera wywołany ruchem własnym), stwierdzania obecności czarnej materii (przez badanie zakrzywienia promieni świetlnych po drodze), detekcji fal grawitacyjnych - obecnie już budowane urządzenia, które (jeśli teoria okaże się prawdziwa) będą mogły je wykrywać u 2 pulsarów (ale warunek dla pulsara: duża asymetria). A to dopiero początek, bo nasza wiedza o pulsarach jest wciąż znikoma i wiele zaobserwowanych zjawisk czeka jeszcze na swoje wyjaśnienie.

Rys. 11 Artystyczna wizja fal grawitacyjnych od pulsara