ПУЛЬСАРЫ НА РЕЛЯТИВИСТСКИХ ОРБИТАХ

1. 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.

2. Галактика, звезды и Солнце Галактика: более 1011 звезд Светимость: L~1046эрг/с 1 Вт =107 эрг/с Солнце:M=2x1033г, R=700 тыс. км, L=3.83x1033эрг/с, средняя плотность вещества = 1.4 г/см3, температура поверхности ~6 тыс. К, температура внутри 15.7 млн. К. Состоит из сравнительно разреженной плазмы, давление P=nkT~1017дин/см2. Живет за счет термоядерного горения в центральных слоях.

3. i=isolated b=binary СХЕМА! M<8 MSUN тихий сброс оболочки, образование белого карлика (WD) WD i, b WD SN Ia b M=(8—25) MSUN взрыв сверхновой (SN II) образование нейтронной звезды Нормальная звезда Звезда-гигант NS i, b NS b BH BH M>25 MSUN коллапс в черную дыру (BH) WD, NS, BH = звездное кладбище

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

5. 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

6. Кеплер и Эйнштейн Albert Einstein 1879—1955 СТО: 1905 ОТО: 1916 Johannes Kepler 1571—1630 Законы Кеплера: 1609

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

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

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

10. Тайминг пульсаров:P(t) Этап 1:Измерение кеплеровских параметров : нужно еще два уравнения Этап 2:Измерение релятивистских параметров (a) Вековой дрейф периастра: (b) Поперечный эффект Доплера +грав. красное смещение в поле М2: . (c) Гравитационное запаздывание: (d) Уменьшение орбитального периода: Можно получить до пяти новых уравнений !

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

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

13. Пульсар Халса--Тейлора (PSR B1913+16) Открытие: 2 июня 1974 (ApJ Lett, January 15, 1975) Наблюдения: 5083 раз с 1981 по 2001 Нобелевская премия: 1993 Орбита: Релятивистские эффекты (Weisberg & Taylor, 2003) : (a) Примерно 125оза 30 лет (Меркурий: 43’’in 100 лет) (b) Наблюдения: (c) Теоретическое предсказание: (Weisberg & Taylor, 2003)

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

15. Геодезическая прецессия пульсара Халса-Тейлора Barker & O’Connell (1975):

16. Идеальный пульсар Волщана (PSR B1534+12) Открытие: Wolszczan (1991) Измерены все пять релятивистских параметра: Массы нейтронных звезд (Stairs et al. 2003):

17. J0737-3039 A и B: система из двух радиопульсаров Burgay et al. (2003)Наблюдения: Пульсар А 4.5 мин в августе 2001 + систематически с мая 2003 г. (5 мес.) Lyne et al. (2004) Пульсар B Систематические наблюдения с мая 2003 г. (7 мес.) Следствия: Пятая система с коротким временем жизни Радиозатмения

18. ВЫВОДЫ: МАССЫ НЕЙТРОННЫХ ЗВЕЗД В СИСТЕМАХ РАДИОПУЛЬСАР—НЕЙТРОННАЯ ЗВЕЗДА (1) Массы 10 нейтронных звзед в 5 системахизмерены очень точно (2) Пульсар Халса-Тейлора остается самой массивной нейтронной звездой такого типа (3) Полная масса M=M1+M2во всех системах примерно одинакова; M1и M2 почти равны (4) Трудно ожидать, что в этих системах есть массивные нейтронные звезды

19. 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

20. Идеальная система радиопульсар—белый карлик (PSR J1141—6545) Открытие: Kaspi et al. (2000) Измерено три релятивистских параметра: Массы звезд (Bailes et al. 2003):

21. Идеальная система радиопульсар—белый карлик (PSR J1909—3744) Открытие: Jacoby et al. (2003) Измерено два релятивистских параметра:s, r Массы звезд (Jacoby et al. 2005):

22. Радиопульсар—белый карлик (PSR J1911—5958A) Открытие: D’Amico 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

23. САМАЯ МАССИВНАЯ НЕЙТРОННАЯ ЗВЕЗДА PSR J1614-2230+ WD 28 0ct. 2010, Nature 467, 1081 Открытие: 2002 (Hessels et al. 2005) Измерен: эффект Шапиро,s, r Самая массивная нейтронная звезда с точноизмеренной массой

24. САМАЯ МАССИВНАЯ НЕЙТРОННАЯ ЗВЕЗДА PSR J1614-2230+ WD Time residual, microseconds 1.0 0 0.5 Orbital phase Demorest et al. (2010)

25. ВТОРАЯ САМАЯ МАССИВНАЯ НЕЙТРОННАЯ ЗВЕЗДА PSR J0348+0432+ WD Science, 26 April 2013, Vol. 340, Issue 6131 Радионаблюдения: Green Bank (USA) 2007 Публикация: Lynch et al. (2013) 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)

26. ВТОРАЯ САМАЯ МАССИВНАЯ НЕЙТРОННАЯ ЗВЕЗДА PSR J0348+0432+ WD Измерены без эффектов ОТО Проверка: теория наблюдения Время до слияния: 400 млн. лет Идеальная система для проверки общей теории относительности

27. Диаграмма масса-радиус для разных моделей нейтронных звезд General Relativity Causality PSR J1614-2230 PSR J0348+0432 HT pulsar • Наблюдения: • Позволили отбросить мягкие и умеренные уравнения состояния • Благоприятсвуют нуклонным уравнения состояния

29. 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!