ПУЛЬСАРЫ НА РЕЛЯТИВИСТСКИХ ОРБИТАХ ПУЛЬСАРЫ НА РЕЛЯТИВИСТСКИХ ОРБИТАХ Д.Г. Яковлев Физико-технический институт им. А.Ф.Иоффе, С.-Петербург Введение Тайминг пульсаров Двойные нейтронные звезды Радиопульсары и белые карлики Заключение Интеллект, Лисий Нос, 3 июля 2013 г.

Галактика, звезды и Солнце Галактика: более звезд Светимость: L~10 46 эрг/с 1 Вт =10 7 эрг/с Солнце: M=2x10 33 г, R=700 тыс. км, L=3.83x10 33 эрг/с, средняя плотность вещества = 1.4 г/см 3, температура поверхности ~6 тыс. К, температура внутри 15.7 млн. К. Состоит из сравнительно разреженной плазмы, давление P=nkT ~10 17 дин/см 2. Живет за счет термоядерного горения в центральных слоях.

Звезда-гигант WD NS BH NS BH Нормальная звезда M25 M SUN коллапс в черную дыру (BH) СХЕМА! M=(825) M SUN взрыв сверхновой (SN II) образование нейтронной звезды SN Ia i, b b b WD, NS, BH = звездное кладбище i=isolated b=binary

Общее строение нейтронной звезды Основная загадка: Состав ядра звезды и давление плотного вещества = Проблема уравнения состояния (EOS)

Зачем точно измерять массы нейтронных звезд? Масса – важнейший параметр звезды Чтобы найти критическую массу, разделяющую нейтронные звезды и черные дыры Чтобы определить уравнение состояния сверхплотного вещества в ядрах нейтронных звезд Самое интересное – найти как можно более массивную нейтронную звезду

Johannes Kepler Законы Кеплера: 1609 Albert Einstein СТО: 1905 ОТО: 1916 Кеплер и Эйнштейн

Кеплеровские орбиты Интегралы движения: Орбитальный период: Измерение лучевых скоростей компаньона 1: Измерение лучевых скоростей компаньона 2: Нужно еще параметров: 2 1

ИЗЛУЧЕНИЕ РАДИОПУЛЬСАРОВ Радиопульсары (радиомаяки): Открыто около 2000 в нашей Галактике Очень точный тайминг – изменение периода со временем, P(t) – можно измерить – точные часы Antony Hewish NP 1974 Joselyn Bell Открытие: 1967

Релятивистские объекты: радиопульсар – компактный компаньон Энергия и орбитальный момент: Peters & Mathews (1963), Peters (1963) Эволюция параметров орбиты: Достоинства: (1) Очень точный тайминг P(t) (2) Точечные массы (3) Эффекты ОТО

Тайминг пульсаров: P(t) Этап 1: Измерение кеплеровских параметров Этап 2: Измерение релятивистских параметров : нужно еще два уравнения (a) Вековой дрейф периастра: (b) Поперечный эффект Доплера +грав. красное смещение в поле М 2: (c) Гравитационное запаздывание: (d) Уменьшение орбитального периода: Можно получить до пяти новых уравнений !.

Эволюция релятивистской орбиты Требования: (1) Короткие орбитальные периоды (компактные системы) (2) Эксцентричные орбиты (3) Наблюдения с ребра

Russel Hulse and Joseph Taylor The Arecibo 305-m radio telescope (NAIC-Arecibo Observatory, NSF) Puerto Rico

Пульсар Халса--Тейлора (PSR B ) Открытие: 2 июня 1974 (ApJ Lett, January 15, 1975) Наблюдения: 5083 раз с 1981 по 2001 Орбита: Релятивистские эффекты (Weisberg & Taylor, 2003) : (a)(a) Примерно 125 о за 30 лет (Меркурий: 43 in 100 лет) (b)(b) (c)(c) Наблюдения: Теоретическое предсказание: Нобелевская премия: 1993 (Weisberg & Taylor, 2003)

Последние 10 лет пульсара Халса-Тейлора 10 лет до смерти: 1 ms до смерти : M31

Геодезическая прецессия пульсара Халса-Тейлора Barker & OConnell (1975):

Идеальный пульсар Волщана (PSR B ) Открытие: Wolszczan (1991) Измерены все пять релятивистских параметра: Массы нейтронных звезд (Stairs et al. 2003):

J A и B: система из двух радиопульсаров Пульсар А Burgay et al. (2003) Наблюдения: 4.5 мин в августе систематически с мая 2003 г. (5 мес.) Пульсар B Lyne et al. (2004) Систематические наблюдения с мая 2003 г. (7 мес.) Следствия: Пятая система с коротким временем жизни Радиозатмения

ВЫВОДЫ: МАССЫ НЕЙТРОННЫХ ЗВЕЗД В СИСТЕМАХ РАДИОПУЛЬСАРНЕЙТРОННАЯ ЗВЕЗДА (1) Массы 10 нейтронных звзед в 5 системах измерены очень точно (2) Пульсар Халса-Тейлора остается самой массивной нейтронной звездой такого типа (3) Полная масса M=M 1 +M 2 во всех системах примерно одинакова; M 1 и M 2 почти равны (4) Трудно ожидать, что в этих системах есть массивные нейтронные звезды

РАДИОПУЛЬСАРЫ И БЕЛЫЕ КАРЛИКИ Преимущества: Компактность – кеплеровская задача Часто – миллисекундные пульсары, раскрученные аккрецией: пульсары могут быть массивными, короткие периоды – хороший тайминг, слабое магнитное поле – нет пульсарного шума и глитчей

Идеальная система радиопульсарбелый карлик (PSR J ) Открытие: Kaspi et al. (2000) Измерено три релятивистских параметра: Массы звезд (Bailes et al. 2003):

Идеальная система радиопульсарбелый карлик (PSR J ) Открытие: Jacoby et al. (2003) Измерено два релятивистских параметра: s, r Массы звезд (Jacoby et al. 2005):

Радиопульсарбелый карлик (PSR J A) Открытие: DAmico et al. (2001) Релятивистские параметры не измерены вовсе Bassa et al. (2006), Cocozza et al. (2006) – лучевые скорости и масса белого карлика определены оптическими наблюдениями

САМАЯ МАССИВНАЯ НЕЙТРОННАЯ ЗВЕЗДА PSR J WD Измерен: эффект Шапиро, s, r Самая массивная нейтронная звезда с точно измеренной массой 28 0ct. 2010, Nature 467, 1081 Открытие: 2002 (Hessels et al. 2005)

Orbital phase Time residual, microseconds Demorest et al. (2010) САМАЯ МАССИВНАЯ НЕЙТРОННАЯ ЗВЕЗДА PSR J WD

ВТОРАЯ САМАЯ МАССИВНАЯ НЕЙТРОННАЯ ЗВЕЗДА PSR J WD Радионаблюдения: Green Bank (USA) 2007 Публикация: Lynch et al. (2013) Science, 26 April 2013, Vol. 340, Issue 6131 Пульсар: умеренно раскрученный аккрецией Белый карлик: маломассивный с гелиевым ядром Возраст системы: около 3 млрд. лет Измерены: лучевые скорости пульсара и белого карлика и масса белого карлика (спектроскопически)

ВТОРАЯ САМАЯ МАССИВНАЯ НЕЙТРОННАЯ ЗВЕЗДА PSR J WD Проверка: теория наблюдения Время до слияния: 400 млн. лет Идеальная система для проверки общей теории относительности Измерены без эффектов ОТО

HT pulsar PSR J PSR J General Relativity Causality Наблюдения: 1) Позволили отбросить мягкие и умеренные уравнения состояния 2) Благоприятсвуют нуклонным уравнения состояния Диаграмма масса-радиус для разных моделей нейтронных звезд

ВЫВОДЫ Пульсары в тесных парах с компактными компаньонами – уникальные лаборатории по проверке фундаментальных физических теорий и измерению масс звезд, а также параметров орбит Высокая точность измерений достигается благодаря эффектам общей теории относительности Проверена общая теория относительности и открыто гравитационное излучение Точно измерены массы некоторых нейтронных звезд Открыты тесные («короткоживущие») двойные системы Создаются гравитационные обсерватории нового поколения Главные открытия – впереди!