Пульсары — это быстровращающиеся нейтронные звезды , представляющие собой схлопнувшиеся ядра массивных звезд. Это экстремальные объекты, массивнее Солнца, но не больше большого города. Их плотность настолько высока, что чайная ложка материала нейтронной звезды будет иметь массу около 10 миллионов тонн (около массы горы на Земле), а их магнитные поля в сотни миллионов или триллионы раз больше, чем у Земли.
Мы наблюдаем пульсары благодаря пучкам электромагнитного излучения, которые непрерывно исходят от их магнитных полюсов. Хотя это излучение является непрерывным, мы наблюдаем его только в импульсах, отсюда и название « пульсары ». Это связано с тем, что магнитное поле не выровнено с осью вращения пульсара, и поэтому, подобно маяку, мы видим это излучение только один раз за оборот (или, для некоторых пульсаров, дважды за оборот), когда луч пересекается с Землей. В настоящее время известно около 3000 пульсаров в Млечном Пути и близлежащих галактиках. Большинство пульсаров наблюдают с помощью радиотелескопов, однако некоторые из наиболее энергичных пульсаров также производят интенсивное высокоэнергетическое излучение в виде рентгеновских и гамма-лучей .
Как правило, мы думаем о светимости объекта как об общей мощности всего света что он излучает. Но мы также можем думать о светимости как о количестве энергии в любой форме, которую объект излучает или теряет с течением времени. Когда вращающийся объект замедляется, его вращательная кинетическая энергия уменьшается. Из-за сохранения энергии эта кинетическая энергия должна рассеиваться или излучаться в той или иной форме. Таким образом, скорость, с которой энергия вращения объекта уменьшается, равна мощности, которую он излучает, или, другими словами, его «светимости со вращением вниз». В быстром вращении пульсара хранится огромный резервуар кинетической энергии: если бы пульсар, вращающийся со скоростью 60 раз в секунду, терял энергию с той же скоростью, что и Солнце, из-за электромагнитного излучения, ему потребовалось бы где-то около 600 миллионов лет, чтобы замедлиться. остановка. Учитывая текущее потребление энергии людьми на Земле, такой источник мог бы обеспечивать наши потребности примерно в 10 секстиллионов (1022 ) лет! Однако, наблюдая за изменением скорости вращения пульсаров, мы знаем, что многие из них теряют энергию намного быстрее, чем Солнце, и очень малое количество энергии приходится на видимый свет. Какую форму принимает эта излучаемая энергия? Мы хотели бы знать, находится ли значительная его часть в форме гравитационного излучения.
Пульсар, известный как PSR J0537-6910, является одним из самых необычных образцов или выбросов по сравнению с общей популяцией известных пульсаров. Его название основано на его расположении на небе в «экваториальных» координатах , используемых астрономами, с прямым восхождением 5 ч 37 м и склонением -69 град 10 угловых минут, а пульсар расположен в Большом Магеллановом Облаке — небольшой Галактика-спутник, вращающаяся вокруг Млечного Пути. PSR J0537-6910 особенный, поскольку он теряет энергию быстрее, чем любой из других известных пульсаров, а его «светимость с замедлением вращения» составляет около 5×10 31 Вт, что примерно в 100 000 раз превышает светимость Солнца. В дополнение к своей невероятной яркости PSR J0537-6910, как видно, обладает высокой активностью сбоев; глюк пульсара явление, во время которого пульсар испытывает внезапное небольшое увличение скорости вращения.
В отличие от большинства других пульсаров, PSR J0537-6910 не наблюдается с помощью импульсов радиоволн, а наблюдается только с помощью рентгеновских лучей. Рентгеновские лучи не проникают через атмосферу Земли, а это означает, что их могут обнаружить только космические телескопы. Пульсар был обнаружен и впоследствии проверен с помощью спутника рентгеновского телескопа под названием Rossi X-ray Timing Explorer ( RXTE ) в период с 1996 по 2012 год (после чего RXTE был выведен из эксплуатации). В 2017 году рентгеновский телескоп под названием « Исследователь внутреннего состава нейтронной звезды» ( NICER), был установлен на Международной космической станции. Из-за интересного характера PSR J0537-6910 он является главной целью наблюдательной кампании NICER. Наблюдения RXTE и NICER выявили необычно частые выбросы пульсара, упомянутые выше, а также предоставили интригующие доказательства того, как звезда теряет энергию между выбросами. Параметр, известный как индекс торможения .рассказывает, как пульсар замедляет скорость своего вращения: разные механизмы потери энергии, вызывающие замедление, дают разные значения индекса торможения. Значения 5 и 7 ожидаются для двух разных режимов излучения гравитационных волн. Индекс торможения может стремиться к одному из этих значений, когда между сбоями проходит много времени, а это означает, что излучение гравитационных волн является правдоподобным объяснением замедления вращения пульсара.
Учитывая исключительный характер этого объекта, коллаборации LIGO Scientific, Virgo и KAGRA совместно с командой NICER провели поиск непрерывного сигнала гравитационных волн .от пульсара. Мы использовали самые последние данные обсерваторий LIGO и Virgo (известные как наборы данных O2 и O3), которые перекрываются с наблюдениями NICER PSR J0537-6910 с 2017 года. Данные NICER точно отслеживают скорость вращения пульсара. между глюками. Это позволяет нам когерентно интегрировать данные гравитационных волн и производить наиболее точный поиск любого слабого сигнала. При поиске мы предположили две разные модели того, как могут излучаться гравитационные волны: одна, в которой пульсар имеет асимметрию относительно своего экватора , которая производит излучение с удвоенной частотой вращения звезды (и это механизм, который можно было бы ожидать для индекса торможения 5); другой, в котором может быть излучение как с одной, так и с двойной частотой вращения звезды.
Мы не нашли никаких свидетельств гравитационно-волнового сигнала от пульсара, но этот нулевой результат все еще позволяет нам получить интересную информацию о PSR J0537-6910. По нашим данным, где эллиптичность примерно описывает величину любой деформации экватора по сравнению со средним радиусом звезды (грубо говоря, высотой горы). Это распределение вероятностей соответствует нулевой эллиптичности, но также и небольшим ненулевым значениям, поэтому мы устанавливаем «верхний предел» для его значения. Мы установили 95% верхний предел эллиптичности чуть выше 0,00003, т.е. мы на 95% уверены, что эллиптичность ниже этого значения. Это можно примерно перевести как высоту горы менее десятков см, что является впечатляющей величиной для измерения объекта размером более 160 000 световых лет. Этот верхний предел ниже того, что можно было бы ожидать, если бы вся светимость звезды с нисходящим вращением излучалась гравитационными волнами (известный как предел нисходящего вращения). Его можно преобразовать в эквивалентную мощность, излучаемую гравитационными волнами, из чего мы можем сказать, что менее 14% светимости звезды, падающей со вращением, идет на создание гравитационных волн. Это означает, что более ~ 86% потерь энергии при замедлении происходит из-за других механизмов; огромное магнитное поле пульсара означает, что основным источником излучения является механизм, известный как магнитное дипольное излучение, и ускорение заряженных частиц, создающее туманность пульсарного ветра .. Однако может быть и другой механизм излучения гравитационных волн: волны материи, путешествующие по поверхности звезды, будут производить гравитационные волны примерно на 4/3 частоты ее вращения. Эти волны материи не искались в этой работе, но они вызвали бы индекс торможения 7.
ГЛОССАРИЙ
- Нейтронная звезда : Остаток процесса сверхновой, которому подверглась звезда с массой от 10 до 25 масс нашего Солнца. Типичные нейтронные звезды имеют массу около 1-2 масс Солнца и радиус 10-15 километров, являясь одними из самых компактных объектов, когда-либо обнаруженных.
- Непрерывная гравитационная волна : это сигнал гравитационной волны, который всегда присутствует и имеет почти фиксированную частоту, в отличие от сливающихся систем черных дыр, для которых сигнал гравитационной волны виден в детекторе только в течение короткого времени и быстро распространяется вверх. частота.
- Экваториальные координаты: астрономы определяют положение объектов на небе, используя экваториальную систему координат. В этой системе положение объекта определяется его прямым восхождением и склонением, которые эквивалентны долготе и широте на небе на основе плоскости, образованной проецированием земного экватора на небесную сферу.
- Большое Магелланово Облако : карликовая галактика-компаньон Млечного Пути на расстоянии 50 000 парсеков . И Большое, и Малое Магеллановы Облака видны глазу в южном полушарии.