Rappresentazione della pulsar precedente J1906+0746 (con il vettore di spin in colore rosso) attorno al vettore del momento angolare totale (vettore blu). Vengono emessi due raggi radio sopra i poli magnetici opposti della pulsar, lungo l'asse magnetico (freccia grigia). Mentre i raggi radio attraversano la nostra linea di vista, possiamo ricostruire le mappe di emissione dei fasci come mostrato con le mappe circolari ai bordi dei due fasci. Credito:Gregory Desvignes (MPIfR Bonn / Osservatorio di Parigi)
Le pulsar nei sistemi binari sono influenzate da effetti relativistici, facendo sì che gli assi di rotazione di ciascuna pulsar cambino direzione nel tempo. Un gruppo di ricerca guidato da Gregory Desvignes del Max Planck Institute for Radio Astronomy di Bonn, Germania, ha utilizzato osservazioni radio della sorgente PSR J1906+0746 per ricostruire l'emissione polarizzata sul polo magnetico della pulsar e per prevedere la scomparsa dell'emissione rilevabile entro il 2028. Le osservazioni di questo sistema confermano la validità di un modello vecchio di 50 anni che mette in relazione il radiazione della pulsar alla sua geometria. I ricercatori sono anche in grado di misurare con precisione la velocità di variazione della direzione di spin e trovare un ottimo accordo con le previsioni della teoria della relatività generale di Einstein.
L'esperimento è il test più impegnativo fino ad oggi di questo importante effetto della precessione di spin relativistica per corpi fortemente autogravitanti. Inoltre, la forma del raggio radio ricostruita ha implicazioni per la popolazione di stelle di neutroni e il tasso previsto di fusioni di stelle di neutroni come osservato dai rilevatori di onde gravitazionali come LIGO.
I risultati sono pubblicati in Scienza , numero 6 settembre 2019.
Le pulsar sono stelle di neutroni a rotazione rapida che concentrano il 40% in più di massa rispetto al Sole, o più! – in una piccola sfera di soli 20 km di diametro. Hanno campi magnetici estremamente forti ed emettono un raggio di onde radio lungo i loro assi magnetici sopra ciascuno dei loro poli magnetici opposti. Grazie alla loro rotazione stabile, un effetto faro produce segnali pulsati che arrivano sulla Terra con la precisione di un orologio atomico. La grande massa, la compattezza della sorgente, e le proprietà simili a un orologio consentono agli astronomi di usarli come laboratori per testare la teoria della relatività generale di Einstein.
La teoria prevede che lo spaziotempo sia curvato da corpi massicci come le pulsar. Una conseguenza attesa è l'effetto della precessione di spin relativistica nelle pulsar binarie. L'effetto deriva da un disallineamento del vettore di spin di ciascuna pulsar rispetto al vettore del momento angolare totale del sistema binario, ed è molto probabilmente causato da un'esplosione di supernova asimmetrica. Questa precessione fa variare la geometria di visualizzazione, che può essere testato osservativamente monitorando i cambiamenti sistematici nel profilo del polso osservato.
Le prove di un profilo di impulso variabile attribuito a cambiamenti nella geometria di visualizzazione causati dalla precessione di spin sono state osservate e modellate nella pulsar binaria Hulse-Taylor B1913+16, vincitrice del premio Nobel. Anche altre pulsar binarie mostrano l'effetto, ma nessuno di essi ha consentito studi alla precisione e al livello di dettaglio ottenibili con PSR J1906+0746.
Il bersaglio è una giovane pulsar con un periodo di spin di 144 millisecondi in un'orbita di 4 ore attorno a un'altra stella di neutroni in direzione della costellazione dell'Aquila (l'Aquila), abbastanza vicino al piano della Via Lattea.
"PSR J1906+0746 è un laboratorio unico in cui possiamo contemporaneamente vincolare la fisica dell'emissione di pulsar radio e testare la teoria della relatività generale di Einstein, " afferma Gregory Desvignes del Max Planck Institute for Radio Astronomy (MPIfR) di Bonn, il primo autore dello studio.
Il team di ricerca ha monitorato la pulsar dal 2012 al 2018 con il radiotelescopio Arecibo da 305 m a una frequenza di 1,4 GHz. Tali osservazioni sono state integrate con i dati d'archivio dei radiotelescopi Nançay e Arecibo registrati tra il 2005 e il 2009. In totale, il set di dati disponibile comprende 47 epoche che vanno da luglio 2005 a giugno 2018.
Il team ha notato che inizialmente era possibile osservare i poli magnetici opposti della pulsar, quando entrambi i raggi nord e sud (indicati come impulso principale e interpulsato nello studio) sono stati puntati sulla Terra una volta per rotazione. Col tempo, il raggio nord scomparve e rimase visibile solo il raggio sud. Sulla base di uno studio dettagliato delle informazioni di polarizzazione dell'emissione ricevuta, è stato possibile applicare un modello vecchio di 50 anni, prevedendo che le proprietà di polarizzazione codificassero informazioni sulla geometria della pulsar. I dati della pulsar hanno convalidato il modello e hanno anche permesso al team di misurare il tasso di precessione con solo il 5% di livello di incertezza, più stretto della misurazione del tasso di precessione nel sistema Double Pulsar, un sistema di riferimento per tali test finora. Il valore misurato concorda perfettamente con la previsione della teoria di Einstein.
"Le pulsar possono fornire prove di gravità che non possono essere eseguite in nessun altro modo, " dice Ingrid Stairs della University of British Columbia a Vancouver, coautore dello studio. "Questo è un altro bell'esempio di un simile test."
Inoltre, la squadra può prevedere la scomparsa e la ricomparsa di entrambi, Trave nord e sud della PSR J1906+0746. Il raggio sud scomparirà dalla linea di vista intorno al 2028 e riapparirà tra il 2070 e il 2090. Il raggio nord dovrebbe riapparire intorno al 2085-2105.
L'esperimento, durato 14 anni, ha anche fornito una visione entusiasmante del funzionamento poco compreso delle pulsar stesse. Il team si è reso conto che la linea di vista della nostra Terra aveva attraversato il polo magnetico in direzione nord-sud, consentendo non solo una mappa del raggio della pulsar, ma anche uno studio delle condizioni per l'emissione radio appena sopra il polo magnetico.
"È molto gratificante che, dopo diversi decenni, la nostra linea di vista sta attraversando per la prima volta il polo magnetico di una pulsar, dimostrando la validità di un modello proposto nel 1969, " spiega Kejia Lee del Kavli Institute for Astronomy and Astrophysics, Università di Pechino, Pechino, un altro coautore dell'articolo. "In contrasto, la forma del raggio è davvero irregolare e inaspettata."
La mappa del raggio rivela la reale estensione del raggio della pulsar che determina la porzione di cielo illuminata dal raggio. Questo parametro influenza il numero previsto della popolazione galattica di stelle a doppio neutrone e, quindi, il tasso di rilevamento delle onde gravitazionali previsto per le fusioni di stelle di neutroni.
"L'esperimento ha richiesto molto tempo per essere completato, " conclude Michael Kramer, direttore e capo del dipartimento di ricerca "Fisica fondamentale in radioastronomia" di MPIfR. "In questi giorni, purtroppo, i risultati devono essere spesso rapidi e veloci, mentre questa pulsar ci insegna tanto. Essere pazienti e diligenti ha davvero dato i suoi frutti".
