Najlakši poznati par neutronskih zvijezda potvrdio Ajnštajnovu teoriju

Tim astronoma otkrio je sistem od dvije neutronske zvijezde s najmanjom ukupnom masom koja je do sada izmjerena kod takvih parova. Objekat, označen kao PSR J1856-0039, udaljen je od Zemlje između 4.200 i 6.500 svjetlosnih godina, a zvijezde se obilaze otprilike svakih 2,36 sati, odnosno dva sata i 22 minute.

Neutronske zvijezde su sažvakane jezgre masivnih zvijezda koje su eksplodirale kao supernove. Svaka u sebi nosi više mase od Sunca, sabijene u kuglu promjera oko 20 kilometara. One koje se brzo rotiraju i zrače snopove radio-talasa nazivaju se pulsari, a njihova rotacija toliko je stabilna da služe kao izuzetno precizni satovi.

Vrlo mali broj pulsara orbitira oko druge neutronske zvijezde. "Postoji samo 30 takvih dvostrukih sistema neutronskih zvijezda, a relativistički efekti vrlo su izraženi ako su u zbijenim orbitama", izjavio je koautor studije JinLin Han s Nacionalnih astronomskih opservatorija Kineske akademije nauka.

Otkriće uz pomoć teleskopa FAST

Sistem je 2020. godine uočen u pregledu diska Mliječnog puta kineskim radio-teleskopom FAST, najvećim jednodijelnim radio-teleskopom na svijetu. Tim je izvršio 17 posmatranja između 2020. i 2025. godine, ponekad dovoljno dugo da prati cijelu orbitu. Pulsar rotira oko 43 puta u sekundi, a zvijezde su međusobno udaljene otprilike dvostruko više nego Zemlja i Mjesec.

"Otkrili smo oko 900 pulsara. Poslije nekoliko dodatnih posmatranja, ispostavilo se da je ovaj izuzetan", izjavio je Han. Najatraktivnija odlika ovog sistema jest kratak orbitalni period od oko 2,36 sati. "To je drugi najkraći poznati orbitalni period, pa ovaj sistem mora pokazivati jače relativističke efekte od slavnog dvostrukog pulsara i Hulse-Taylor sistema", dodao je.

Tri relativistička efekta

Mjerenjem vremena dolaska pulseva istraživači su otkrili tri suptilna efekta koje je predvidjela opšta teorija relativnosti Alberta Ajnštajna. Prvo, orbita se smanjuje jer zvijezde zrače gravitacione talase, pa se svake godine približe za oko 2,7 metara. Drugo, ovalna orbita se polako okreće za 17,6 stepeni godišnje — oko 150.000 puta brže od relativističkog pomaka Merkurove orbite. Treće, pulsarov sat mijenja brzinu duž ovalne orbite, pomjerajući pulseve za najviše oko pola milisekunde.

Na osnovu tih mjerenja određene su mase zvijezda: pulsar ima oko 1,3 sunčevih masa, a njegov pratilac tek 1,19 — jedna od najlakših poznatih neutronskih zvijezda. Simulacije pokazuju da supernove teško mogu stvoriti zvijezde bitno lakše od toga.

Bilo koja dva od ova tri efekta dovoljna su za izračunavanje masa obje zvijezde, a treći tada služi kao nezavisna provjera teorije — ako je opšta relativnost ispravna, sva tri efekta moraju ukazivati na iste mase, što se i pokazalo.

Kretanje para poklapa se s Ajnštajnovom teorijom unutar oko jednog procenta. Test dvostrukog pulsara precizniji je, ali se zasnovao na 16 godina podataka, u poređenju s oko pet godina kod novog para. Zvijezde bi se trebale spojiti za oko 82 miliona godina, a spajanje će vjerovatno ostaviti iza sebe težu neutronsku zvijezdu od oko 2,26 sunčevih masa, mada bi ostatak mogao pasti u crnu rupu.

U budućnosti tim namjerava pratiti ovaj pulsar, vjerovatno decenijama, kako bi otkrio takozvani efekat uvlačenja referentnog okvira („frame dragging") — u kojem rotirajuća masa uvija prostor-vrijeme oko sebe i čini da obližnje orbite titraju — i izmjerio moment inercije pulsara, koji ovisi o tome kako mu je masa raspoređena u unutrašnjosti. To bi pružilo novo ograničenje za ponašanje materije na ogromnim gustinama u jezgrima neutronskih zvijezda, jedno od najvećih otvorenih pitanja u fizici.

Podsjetimo, prvi takav par, Hulse-Taylor binarni sistem otkriven 1974, prvi je dao dokaze o gravitacionim talasima, a takozvani dvostruki pulsar, s orbitalnim periodom od 2,45 sati, poklopio se s predviđanjima teorije unutar oko 0,01 posto.