Representación del púlsar en precesión J1906 + 0746 (con el vector de giro en color rojo) alrededor del vector de momento angular total (vector azul). Se emiten dos rayos de radio por encima de los polos magnéticos opuestos del púlsar, a lo largo del eje magnético (flecha gris). Mientras los rayos de radio cruzan nuestra línea de visión, podemos reconstruir los mapas de emisión de los haces como se muestra con los mapas circulares en los bordes de los dos haces. Crédito:Gregory Desvignes (MPIfR Bonn / Observatorio de París)
Los púlsares en sistemas binarios se ven afectados por efectos relativistas, haciendo que los ejes de giro de cada púlsar cambien su dirección con el tiempo. Un equipo de investigación dirigido por Gregory Desvignes del Instituto Max Planck de Radioastronomía en Bonn, Alemania, ha utilizado observaciones de radio de la fuente PSR J1906 + 0746 para reconstruir la emisión polarizada sobre el polo magnético del púlsar y predecir la desaparición de la emisión detectable para 2028. Las observaciones de este sistema confirman la validez de un modelo de 50 años que relaciona la la radiación del púlsar a su geometría. Los investigadores también pueden medir con precisión la tasa de cambio en la dirección del giro y encontrar un excelente acuerdo con las predicciones de la teoría de la relatividad general de Einstein.
El experimento es la prueba más desafiante hasta la fecha de este importante efecto de la precesión de espín relativista para cuerpos fuertemente autogravitantes. Es más, la forma del haz de radio reconstruido tiene implicaciones para la población de estrellas de neutrones y la tasa esperada de fusiones de estrellas de neutrones observada por detectores de ondas gravitacionales como LIGO.
Los resultados se publican en Ciencias , número 6 de septiembre de 2019.
Los púlsares son estrellas de neutrones que giran rápidamente y concentran un 40 por ciento más de masa que el Sol, ¡o más! - en una pequeña esfera de solo unos 20 km de diámetro. Tienen campos magnéticos extremadamente fuertes y emiten un haz de ondas de radio a lo largo de sus ejes magnéticos por encima de cada uno de sus polos magnéticos opuestos. Debido a su rotación estable, un efecto de faro produce señales pulsadas que llegan a la Tierra con la precisión de un reloj atómico. La gran masa, la compacidad de la fuente, y las propiedades similares a un reloj permiten a los astrónomos usarlas como laboratorios para probar la teoría general de la relatividad de Einstein.
La teoría predice que el espacio-tiempo está curvado por cuerpos masivos como los púlsares. Una consecuencia esperada es el efecto de la precesión de espín relativista en púlsares binarios. El efecto surge de una desalineación del vector de giro de cada púlsar con respecto al vector de momento angular total del sistema binario, y es muy probable que sea causado por una explosión asimétrica de supernova. Esta precesión hace que la geometría de visualización varíe, que se puede probar mediante la observación de los cambios sistemáticos en el perfil de pulso observado.
La evidencia de un perfil de pulso variable atribuido a cambios en la geometría de visualización causados por la precesión de espín se ha observado y modelado en el púlsar binario B1913 + 16 de Hulse-Taylor, ganador del premio Nobel. Otros púlsares binarios también muestran el efecto, pero ninguno de ellos ha permitido realizar estudios con la precisión y el nivel de detalle que se pueden obtener con PSR J1906 + 0746.
El objetivo es un púlsar joven con un período de giro de 144 milisegundos en una órbita de 4 horas alrededor de otra estrella de neutrones en la dirección de la constelación de Aquila (el Águila). bastante cerca del plano de la Vía Láctea.
"PSR J1906 + 0746 es un laboratorio único en el que podemos restringir simultáneamente la física de emisión de radio púlsares y probar la teoría general de la relatividad de Einstein, "dice Gregory Desvignes del Instituto Max Planck de Radioastronomía (MPIfR) en Bonn, el primer autor del estudio.
El equipo de investigación monitoreó el púlsar de 2012 a 2018 con el radiotelescopio de Arecibo de 305 m a una frecuencia de 1.4 GHz. Esas observaciones se complementaron con datos de archivo de los radiotelescopios de Nançay y Arecibo registrados entre 2005 y 2009. En total, el conjunto de datos disponible comprende 47 épocas que abarcan desde julio de 2005 hasta junio de 2018.
El equipo notó que inicialmente era posible observar los polos magnéticos opuestos del púlsar, cuando los haces norte y sur (denominados pulso principal e interpulso en el estudio) apuntaban a la Tierra una vez por rotación. Con tiempo, el rayo norte desapareció y sólo el rayo sur permaneció visible. Basado en un estudio detallado de la información de polarización de la emisión recibida, fue posible aplicar un modelo de 50 años, prediciendo que las propiedades de polarización codificaban información sobre la geometría del púlsar. Los datos del púlsar validaron el modelo y también permitieron al equipo medir la tasa de precesión con solo un nivel de incertidumbre del 5 por ciento. más estricto que la medición de la tasa de precesión en el sistema Double Pulsar, un sistema de referencia para tales pruebas hasta ahora. El valor medido concuerda perfectamente con la predicción de la teoría de Einstein.
"Los púlsares pueden proporcionar pruebas de gravedad que no se pueden realizar de ninguna otra manera, "dice Ingrid Stairs de la Universidad de Columbia Británica en Vancouver, coautor del estudio. "Este es un ejemplo más hermoso de tal prueba".
Es más, el equipo puede predecir la desaparición y reaparición de ambos, Viga norte y sur de PSR J1906 + 0746. El rayo sur desaparecerá de la línea de visión alrededor de 2028 y reaparecerá entre 2070 y 2090. El rayo norte debería reaparecer alrededor de 2085-2105.
El experimento de 14 años también proporcionó una visión emocionante del funcionamiento poco entendido de los púlsares. El equipo se dio cuenta de que la línea de visión de nuestra Tierra había cruzado el polo magnético en dirección norte-sur, permitiendo no solo un mapa del haz de púlsar, sino también un estudio de las condiciones para la emisión de radio justo encima del polo magnético.
"Es muy gratificante que, después de varias décadas, nuestra línea de visión está cruzando el polo magnético de un púlsar por primera vez, demostrando la validez de un modelo propuesto en 1969, "explica Kejia Lee del Instituto Kavli de Astronomía y Astrofísica, Universidad de Peking, Beijing, otro coautor del artículo. "A diferencia de, la forma del haz es realmente irregular e inesperada ".
El mapa de haces revela la verdadera extensión del haz de púlsar que determina la porción de cielo iluminada por el haz. Este parámetro afecta el número predicho de la población de estrellas de neutrones dobles galácticos y, por eso, la tasa de detección de ondas gravitacionales esperada para las fusiones de estrellas de neutrones.
"El experimento nos llevó mucho tiempo completarlo, "concluye Michael Kramer, director y jefe del departamento de investigación "Física fundamental en radioastronomía" del MPIfR. "Estos días, Desafortunadamente, los resultados tienen que ser a menudo rápidos y rápidos, mientras que este púlsar nos enseña mucho. Ser paciente y diligente realmente ha valido la pena ".
