פולסר בליקוי: המפתח להבנת אפקט העיכוב של שפירו מהיחסות הכללית

לווין של נאס”א ה-RXTE גילה את פולסאר קרני ה-x הראשון שהוא בליקוי על ידי כוכב נלווה. מערכת הכוכב המיוחדת הזאת מסייעת בהבנת מצבי החומר בצפיפות מאוד גבוהה, חומר מאוד דחוס ביקום. בצורה זו היא מהווה מעבדה אסטרופיזיקאלית חשובה להבנת תורת היחסות הכללית של אינשטיין

זמן רב תורת היחסות הכללית של אינשטיין לא הייתה בחדשות המדעיות. והנה שוב היא עולה לכותרות עם המכשיר של נאסא הקרוי Rossi X-ray Timing Explorer (RXTE) או בעברית, חוקר תזמון קרני x רוסי. ה-RXTE שוגר בסוף 1995 והוא השני בגודלו אחרי טלסקופ האבל. הוא משמש לצורכי משימות אסטרופיזיקאליות. RXTE גילה את פולסר המילישנייה הסופח SAX J1808.4-3658 ב-1998 והוא ממשיך לספק חלון תצפית ייחודי אל סביבת כוכבי הניוטרונים והחורים השחורים בעודו מתמקד כל פעם מחדש בגילויים חדשים. ב-2006 ה-RXTE יחד עם טלסקופ הבאט על גבי לווין סוויפט Swift Burst Alert Telescope (BAT) גילו מערכת בינארית חדשה הקרויה Swift J1749.4-2807. מערכת זו ספקה לאחרונה ממצאים חדשים.

כוכב ניוטרונים – שכונה ממוצעת כבדה
במאמר שפורסם לפני חודש נאמר שה-RXTE גילה את פולסאר קרני ה-x הראשון שהוא בליקוי על ידי כוכב נלווה. מערכת הכוכב המיוחדת הזאת מסייעת בהבנת מצבי החומר בצפיפות מאוד גבוהה, חומר מאוד דחוס ביקום. בצורה זו היא מהווה מעבדה אסטרופיזיקאלית חשובה להבנת תורת היחסות הכללית של אינשטיין.

פולסאר הוא כוכב ניוטרונים שמסתובב בסחרור מהיר ביותר – ליבת כוכב מסיבי שכרס. הכוכב עצמו התפוצץ לפני זמן רב כסופרנובה. כוכבי ניוטרונים הם מאוד מסיביים אבל בניגוד לשמש שלנו הם כוכבים קומפקטיים, ארוזים לכדי כדור שהוא בערך פי 60,000 קטן יותר. גודלם נע בין 10 ל-15 קילומטר, בסביבות שכונת מגורים בצפון תל אביב.

בניגוד לתכולה של שכונה צפון תל אביבית ממוצעת, קשה לקבוע את המסה של פולסארים או כוכבי ניוטרונים, אף כאשר הם מצויים במערכת בינארית. מסובך לדעת ברמת הדיוק הרצויה מהו ההרכב הפנימי והגדלים של כוכבי ניוטרונים.
הפולסר והכוכב – הזולל והמסתיר
והנה עלתה וצצה לה המערכת של הפולסר והכוכב העוטה את הפולסר וגורם לו לליקוי. דומה שמערכת זו יכלה לספק לאסטרופיזיקאים הזדמנות נהדרת למדוד את מסת הפולסר ומתוכה ניתן היה ללמוד גם על הכוכב הנלווה.
המערכת קרויה פולסר AMPX – כלומר, Accretion-Powered Millisecond X-ray pulsar. אבל זוהי מערכת ה-AMPX הראשונה שמציגה ליקויי קרני x. האסטרופיזיקאים כינו את המערכת הזו בשם: Swift J1749.4-2807 בגלל שהיא נתגלתה ביוני 2006 על ידי שאדי וקבוצתו בעזרת טלסקופ באט שעל לוויין סוויפט. ניתן למערכת שם קיצור: J1749. המערכת נתגלתה כאשר לוויין סוויפט של נאסא שם לב להתפרצות קטנה. התצפיות שבוצעו על ידי סוויפט וגם על ידי RXTE ומקורות אחרים הובילו למסקנה שמדובר במקור שהוא חלק ממערכת בינארית הממוקמת במרחק של 22,000 שנות אור מאיתנו בקונסטלציה סגיטריוס (1).
מערכת J1749 היא מערכת בינארית של פולסאר וכוכב, שבה הפולסר זולל חומר בצורה פעילה מבן זוגו הכוכב ובאותו הזמן הכוכב גורם לבן זוגו הפולסאר להיות בליקוי. הספיחה מצטרפת לכדי דסקת חומר סביב כוכב הניוטרונים. בשל הספיחה המערכת הבינארית עוברת התפרצויות בגלל חוסר יציבות בדסקת הספיחה, כאשר חלק מהגז מתנגש בכוכב הניוטרונים. השדה המגנטי של הפולסר מכוון את הגז שנופל לעברו לכיוון הקטבים המגנטיים. פירושו שהאנרגיה המשתחררת מופיעה בנקודות חמות והן מסתובבות יחד עם כוכב הניוטרונים ומפיקות פולסי קרני x מהירים.

המערכת מסתובבת 518 פעמים לשנייה (כלומר, סיגנל הפולס נתגלה בתדירות של 518 הרץ והוא בא והולך, בא והולך…). ניתן לדמיין את המערכת כעיר שלמה שמסתובבת כאילו הייתה מערבל או בלנדר על השיש במטבח. בנוסף לכך, התנועה הסיבובית הזו מקנה שינויים סדירים בתדירות של פולסי קרני ה-x. שינויים אלה מצביעים על כך ששני הכוכבים במערכת הבינארית מסתובבים זה סביב זה כל 8.8 שעות.
אינשטיין כרגיל נכנס לכל מערכת
מדוע כוכבי ניוטרונים הם מעבדות אסטרופיסיקאליות מעניינות לפיסיקה? הם בעלי מסה עצומה שדחוסה לרדיוס של בערך 10 קילומטר, הצפיפות שלהם היא עצומה והם מציגים תנאים קיצוניים שדורשים פיסיקה שלא ניתן לבדוקה במעבדות ארציות. האסטרופיסיקאים מצפים ש”אסטרונומית גלי הכבידה” סוף כל סוף תתגלה. לתצפיות של גלי כבידה יש השפעה על פיסיקת כוכבי הניוטרונים. ואילו המידע שנצבר יסייע בהבנת מצב החומר בצפיפויות קיצוניות. נאסא תכננה את גלאי ליגו וגלאי GEO600 חיפש וסרק – כולם נועדו למצוד אחר ניבוי אחד ויחיד של אינשטיין, גלי הכבידה. בינתיים גלים כבידתיים ברורים לא נתגלו.

אולם כוכבי ניטרונים הם חשובים בגלל סיבות נוספות, שכמובן גם הן קשורות באינשטיין. קרייג מרקווארדארט וטוד סטרומאייר ממרכז החלל והתעופה של נאסא בגודארד דיווחו ביוני האחרון על גילוי ליקויים בטווח קרני x במערכת J1749. זוהי התגלית הראשונה של ליקויי קרני x במערכת מהסוג הזה. הצוות סיכם את ממצאיו בגיליון מה-10 ליולי של מכתבי הירחון האסטרופיזיקאלי (The Astrophysical Journal Letters).

מכשיר ה-RXTE צפה ב- J1749בהתפרצות שארעה בין ה-14 לאפריל 2010 ל-20 לאפריל 2010. המכשיר צפה בשלושה ליקויים (כל אחד למשך 36 דקות) והוא התרחש כאשר כוכב הניוטרונים חלף מאחורי הכוכב הרגיל במערכת. המכשיר גילה בנוסף שלוש התפרצויות או פולסים בטווח קרני ה-x בשבוע זה, ואלה זיהו את כוכב הניוטרונים כפולסר. הוא אף רשם את השינויים בפולסים וכך ניתן היה לציין את התנועה הסיבובית של כוכב הניוטרונים.

גילוי הליקויים אמור לאפשר את מדידת המסה המדויקת של כוכב הניוטרונים כאשר חוקרים את הכוכב הנלווה לו במערכת הבינארית. מסתו של כוכב הניוטרונים הוערכה כבין 1.4 ל-2.2 מסות שמש. למסת (ורדיוס) כוכב הניוטרונים ישנה חשיבות להבנת משוואת מצב של חומר דחוס ביותר. בעזרת המידע אודות הליקויים הצוות הצליח לקבל מידע אודות הגודל והמסה של הכוכב הנלווה לכוכב הניוטרונים ברמת דיוק גבוהה ביותר. הצוות השווה בין התצפיות שבוצעו בעזרת מכשיר ה-RXTE לטווח המסה התיאורטית עבור כוכבי ניוטרונים. מתוך השוואה זו הם קבעו את המשקל של הכוכב הרגיל במערכת הבינארית J1749: הכוכב נתגלה כ-70 אחוזים ממסת השמש. או התוצאה הייתה בערך 0.7 מסות שמש (בין 0.6 ל-0.8 מסות שמש).

הליקויים הצביעו על כך שהכוכב הרגיל אמור להיות 20 אחוז גדול יותר ממסתו הנראית ומגודלו הנראה. הצוות מפרש זאת, שמשטחו של הכוכב מנופח בגלל קרינת ה-x מהפולסר, שהיא אך במרחק של כמה מיליוני קילומטרים מהכוכב. חימום נוסף זה כנראה שמפריע לפני משטח הכוכב. נתון אחד בכל מקרה חסר כדי לקבוע את מסת הפולסר במדויק: יש צורך לצפות בכוכב הרגיל בעזרת טלסקופים בטווח האופטי או האינפרא אדום כדי למדוד את תנועתו ולקבל את המידע אודות הפולסר מתוך נתוני הכוכב הרגיל באותה מידה שנתקבלו נתוני הכוכב הרגיל מתוך נתוני הפולסר.
העיכוב של שפירו והיחסות הכללית
אחת מהתוצאות של תורת היחסות הכללית היא שסיגנל – כגון גל רדיו או פולס קרני x – מפגר מעט בזמן בעודו חולף ליד גוף מסיבי. אירווין שפירו מהמכון הטכנולוגי במסצ’וסטס ה-MIT הציע שתוצאה זו מהיחסות הכללית של אינשטיין תהווה בדיקה חדשה לתורה של אינשטיין. העיכוב הנדון שקרוי “העיכוב של שפירו” (עיכוב זמן כבידתי) הודגם שוב ושוב בעזרת סיגנלי רדיו שהוחזרו ממרקורי ומונוס ובניסויים הקשורים בתקשורת בין רכבי חלל (2).

בחישובים מרקווארדארט וסטרומאייר הכניסו את אפקט העיכוב של שפירו עבור המערכת J1749: הפוטונים המגיעים מהפולסר יעברו עיכוב עקב הפוטנציאל הכבידתי מהכוכב הנלווה השווה ל-21 מיקרושניות (או שווה ל-10,000 פעמים מצמוצי העין האנושית). עיכוב כזה הוא בטווח אי הודאות של מכשיר ה-RXTE והוא יכול לצפות בו.
מה עושים? המחברים ניסו להרחיק את הרעש המפריע על ידי התאמות בימים ה-15, 16, 17, 18 וה-20 לאפריל. החוקרים כיוונו את הפרמטרים כך שאפקט שפירו הצפוי יהיה מינימום. אחר כך החוקרים הוסיפו את איבר שפירו וראו שהוא לא משמעותי ולא משנה בהרבה את החישובים שלהם. אולם כאשר הם הניחו את קיום אפקט שפירו, הם הציבו גבול עליון למסה של כוכב הניוטרונים ומצאו שהוא: 2.2 מסות שמש.
הצוות מאמין שזו הפעם הראשונה בה נקבע גבול ריאליסטי לאפקט העיכוב של שפירו באורכי גל של קרני x עבור מערכת מחוץ למערכת השמש שלנו. הם ספקו טכניקה למדוד אפקטים יחסותיים במשימה כמו זו של נאסא RXTE. במידה שהמערכת הבינארית J1749 תתפרץ שוב פעם – ואם היא תתפרץ למשך זמן ארוך יותר, הדבר יאפשר מחקר טוב יותר של הליקויים ושל העיכוב של שפירו. ניתן יהיה כך טוב יותר למדוד את המסה של כוכב הניוטרונים, מסכמים שני המחברים.

לידיעה באתר נאס”א
למחקר ב-ARCIVX

הסבר נוסף לתופעה
לאתר הלווין סוויפט

Schady P., Beardmore A.P., et al., 2006, GRB Coordinates Network, 5200, 1.

(2)

Shapiro, I. I., Ash, M. E., Ingalls, R. P., Smith, W. B., Campbell, D. B., Dyce, R. B., Jurgens, R. F., & Pettengill, G. H. 1971, Physical Review Letters, 26, 1132.