Milisekuntipulsari lähellä Sagittarius A*: harvinainen koe

Jokin tikittää Linnunradan ahtaassa sydämessä, ja tähtitieteilijät haluavat tietää, auttaako se kirjoittamaan uudelleen muutamia kappaleita gravitaatiokirjoista. Tämä tikitys — 8,19 millisekunnin pulssi, jonka havaitsi Breakthrough Listen Galactic Center Survey — tuli suunnasta hyvin lähellä Sagittarius A*, galaksimme keskustaa ankkuroivaa supermassiivista mustaa aukkoa. Jos tämä signaali osoittautuu aidoksi millisekuntipulsariksi lähellä kiertoradalla, siitä tulisi yksi arvokkaimmista luonnollisista laboratorioista yleisen suhteellisuusteorian testaamiseen.

Taiteilijan näkemys Green Bank -teleskoopista keräämässä dataa Linnunradan keskustasta. Lisäkuvassa näkyy galaksimme keskuksen musta aukko ja läheinen ehdokaspulsari (vahvistamaton).

Pulsarit ovat massiivisten tähtien romahtaneita ytimiä — kaupungin kokoisia neutronitähtiä, joissa on enemmän massaa kuin Auringossa. Ne pyörivät ja voimakkaat magneettikentät suuntaavat radiosäteilyä kapeiksi säteiksi. Kun nämä säteet pyyhkäisevät Maan yli, radioteleskoopit rekisteröivät erittäin säännöllisiä pulssijaksoja. Millisekuntipulsarit pyörivät satoja kertoja sekunnissa. Niiden ajoitustarkkuus tekee niistä hämmästyttävän vakaita kelloja. Pienikin saapumisaikojen häiriö voi paljastaa muuten näkymättömiä vaikutuksia: kiertotoverit, tähtienvälisen plasman dispersio tai itse avaruuden aikakäyryys.

Miksi pulsari lähellä Sagittarius A* on tärkeä

Kuvittele laittavasi tarkimman kellosi lähelle triljoonien kilometrien painaumaa. Siinä on lupaus. Sagittarius A*:lla on suunnilleen neljä miljoonaa aurinkomassaa sijoittuneena tilavuuteen, joka ei ole suurempi kuin aurinkokuntamme. Yleinen suhteellisuusteoria ennustaa, miten avaruusaika vääristyy ja miten valo — tai radiopulssit — hidastuvat, taivuttuvat tai siirtyvät taajuudeltaan kulkiessaan lähellä tällaista massaa. Millisekuntipulsari tiukalla kiertoradalla antaisi tähtitieteilijöille mahdollisuuden mitata ilmiöitä kuten Shapiro-viiveen (relativistinen aika-viive), gravitaatiopunasiirtymän ja mahdollisesti avaruusaikakehän vetäytymisen ennennäkemättömällä tarkkuudella. Nämä mittaukset eivät vain testaisi Einsteinin teoriaa äärimmäisissä olosuhteissa, vaan myös tutkisi mustan aukon välitöntä ympäristöä: tähtitiheyttä, pimeiden jäännösten jakautumaa ja turbulentin plasman aiheuttamaa sirontaa.

Columbian yliopiston tutkijat, johtajanaan Karen I. Perez, raportoivat tästä ehdokkaasta The Astrophysical Journalissa. Yhteiskirjoittaja Slavko Bogdanov huomautti, että pulsariin kohdistuvat ulkoiset vaikutukset "johtaisivat poikkeamiin pulssien vakaassa saapumisaikataulussa, jotka voidaan mitata ja mallintaa." Lyhyesti: pienet ajoituskohinat muuttuvat suuriksi vinkeiksi.

Seuranta, vahvistus ja avoin data

Havainto on vasta ensimmäinen askel. Pulsariehdokkaat voivat esiintyä myös maallisina häiriöinä tai ohimenevinä ilmiöinä. Lähteen varmistaminen tarkoittaa toistuvia radiohavaintoja eri taajuuksilla ja ajanhetkillä, huolellista häiriöiden poistoa sekä ajoitusanalyyseja sen näkemiseksi, pitääkö 8,19 ms rytmi paikkansa. Green Bank Telescope, jota Breakthrough Listen käyttää, on herkkyydeltään riittävä tällaisiin jatkoseurantohin. Olennaista on myös se, että Breakthrough Listen on julkaissut havaintodata julkisesti, jotta ryhmät ympäri maailmaa voivat tarkastaa, ristiintarkistaa ja käyttää vaihtoehtoisia etsintäalgoritmeja. Tämä avoimuus nopeuttaa vahvistusta ja kutsuu uusia lähestymistapoja signaalin de-dispersion ja havaitsemisen parantamiseksi Galaktisen Keskuksen sironnan läpi.

Mitä seuraavaksi tapahtuu, riippuu datan paljastamasta. Jos toistuvat havainnot toistavat pulssit johdonmukaisilla ajoituksilla ja dispersiomitoilla, jotka sijoittavat lähteen lähelle Galaktista Keskusta, tähtitieteilijät aloittavat pitkäaikaiset ajoituskampanjat. Kuukausien ja vuosien aikana nämä kampanjat hioavat kiertoparametreja ja erottavat relativistisia signaaleja. Jos ehdokasta ei vahvisteta, data kiristää silti rajoja pulsaripopulaatiolle Sagittarius A*:n lähellä ja ohjaa tulevien kartoitusten strategioita.

Asiantuntijan näkökulma

"Millisekuntipulsarin löytäminen niin lähellä supermassiivista mustaa aukkoa olisi harvinainen lahja fysiikalle," sanoo tohtori Lina Ortega, astrofyysikko joka tutkii tiheiden kappaleiden dynamiikkaa. "Jo muutama tarkka ajoitusmittaus voisi erottaa hienovaraiset relativistiset mallit ja paljastaa, onko ytimen läheisyydessä muita näkymättömiä massoja. Se on kuin vaihdat rannekellon atomikelloon yrittäessäsi lukea avaruuden ajan vääristymää."

Ehdokas Sagittarius A*:n lähellä sijaitsee teknologian ja teorian risteyskohdassa: korkean herkkyyden radioinstrumentit, kehittynyt signaalinkäsittely ja vuosikymmenten relativistiset ennusteet. Olipa kohde lopulta millisekuntipulsari tai huijari, etsintä tiivistää karttaamme Galaktisesta Keskuksesta ja terävöittää työkaluja, joita käytämme gravitaation testaamiseen äärimmäisimmissä naapurustoissa.