Keď masívna hviezda, s hmotnosťou asi 4 až 8 krát väčšou, než má naše Slnko, vyčerpá všetky dostupné možnosti, ako sa ubrániť pôsobeniu extrémnej gravitácie, jej prevažne železné jadro gravitačne skolabuje do neutrónovej hviezdy a vonkajšie vrstvy sú rázovou vlnou rozmetané do priestoru v podobe expandujúceho oblaku prachu a plynu. Vybuchla supernova, hviezda je mŕtva, nech žije neutrónová hviezda s nepredstaviteľnými parametrami: pri priemere 10 – 15 km má hmotnosť asi o polovicu väčšiu, než je hmotnosť Slnka a teda hustota je okolo 200 miliónov ton/cm3.
Sila záverečného gravitačného kolapsu doslova vtlačila elektróny do jadier a vznikla hustá neutrónová hmota. Aby sa zachoval moment hybnosti, rýchlosť rotácie sa zvýšila o mnoho rádov – napríklad z hviezdy, ktorá sa otočila za dni až týždne vzniká neutrónová hviezda rotujúca s periódou, ktorá sa meria v milisekundách až sekundách. Pôvodné magnetické pole „zamrznuté“ vo vodivom jadre hviezdy sa pri kolapse skoncentrovalo, preto sú v neutrónovom kompaktnom zvyšku jeho hodnoty extrémne (rádu 10^12 G = 10^8 T), asi bilión až desať biliónov krát vyššie, než je geomagnetické pole (rádu 10^-5 T).
Predstaviť si to môžeme pomocou siločiar, ktoré sa zachovajú, len sa pri kolapse do extrémne malého objemu aj extrémne zhustia. A hustota siločiar je indikátorom intenzity magnetického poľa. Takto silné pole spôsobuje, že z oboch oblastí magnetických pólov tryská prúd častíc, urýchľovaných na relativistické rýchlosti. Prúdy vytvárajú silné lúče rádiových vĺn. Pretože os magnetického dipólu sa odkláňa od rotačnej osi, neutrónová hviezda je ako rýchlo otáčajúci sa rádiový maják. Ak sa v ceste niektorého z rádiových lúčov nachádza Zem, neutrónovú hviezdu „vidíme“ pomocou rádiových teleskopov ako zdroj pravidelných impulzov – ako pulzar. Je to signál, ktorý môže prinášať množstvo zaujímavých informácií.
Vnašej Galaxii sme doposiaľ objavili vyše 1 700 pulzarov. Viaceré vytvárajú s inými objektami binárne sústavy, ale len v jednom prípade sme si istí, že ide o gravitačne viazaný systém dvoch pulzarov. Nachádza sa asi 1 700 svetelných rokov od Zeme, nesie označenie PSR J0737-3039A/B. Jeho prvý objekt A, s periódou rotácie 23 milisekúnd, bol objavený v roku 2003 a hneď bolo jasné, že ide o binárny systém dvoch telies, ktoré sa obiehajú v 2,4 hodinových intervaloch. Až o pár mesiacov neskôr bol aj druhý objekt B identifikovaný ako pulzar, ktorý sa otočí raz za 2,8 s. Oba pulzary obiehajú okolo spoločného ťažiska v takej blízkosti, že celý systém by sa vtesnal do objemu nášho Slnka. Pretože ide o veľmi hmotné telesá, gravitačne viazané na tak malú vzdialenosť, okamžite bolo vedcom jasné, že ide o výnimočne vhodný pozorovací cieľ.
„Binárne pulzary vytvárajú ideálne podmienky na testovanie predpokladov všeobecnej teórie relativity (ďalej VTR), pretože čím väčšie sú hmoty a čím bližšie sa k sebe nachádzajú, tým významnejšie sú relativistické efekty“ vysvetľuje astrofyzik René Breton, doktorand na McGillovej univerzite v kanadskom Montreali a prvý autor článku Relativistická rotačná precesia v podvojnom pulzare (Relativistic Spin Precession in the Double Pulsar), ktorý 4. júla uverejnil časopis Science. Vedúca výskumnej skupiny a spoluautorka Victoria Kaspi dodáva: „Binárne pulzary sú najlepším miestom na testovanie VTR v silnom gravitačnom poli. Einsteinova teória predpokladá, že keď pulzar v takom poli obieha okolo svojho spoločníka, jeho rotačná os pomaly mení svoj smer“. Túto zmenu voláme precesia.
Zdanlivo nič nové pod Slnkom, veď práve precesný pohyb rotačnej osi Zeme je známy už od čias Hipparcha, ktorý žil v 2. storočí p.n.l. Naozaj, pri našej planéte, na ktorú pôsobí najmä Mesiac a Slnko, by sme vystačili s klasickou fyzikou, pretože relativistická zložka jej precesného pohybu je zanedbateľná. Ale deformácia časopriestoru v sústave dvoch kompaktných, extrémne hmotných a rýchlo rotujúcich pulzarov si už vyžaduje použiť relativistický prístup. Pulzary sú príliš malé a sú príliš ďaleko na to, aby sa dala priamo merať ich orientácia. Krátko po objave však vedci zistili, že na takéto merania môžu využiť zákryt – keď jeden z pulzarov prechádza pri obehu popred druhý. Samozrejme, že je to súhra šťastnej vzájomnej konštelácie a orientácie telies, že zo Zeme môžeme ich vzájomné „zatmenie“ pozorovať. Keď k nemu dôjde, magnetosféra bližšieho pulzaru absorbuje rádiové signály pulzaru, ktorý je v zákryte za ním. Analýza signálu, prichádzajúceho od tieneného objektu potom umožňuje stanoviť priestorovú orientáciu tieniaceho objektu.
Takýmto podrobným niekoľkoročným sledovaním vedci presne stanovili parametre precesie rotačnej osi 2,8 sekundového pulzaru a dokázali, že s veľkou presnosťou zodpovedá teórii relativity.
Pre hlásateľov nových fyzikálnych právd Victoria Kaspi odkazuje: „Aj keď precesia rotačnej osi bola pozorovaná aj v našej Slnečnej sústave, rozdiely medzi VTR a alternatívnymi teóriami gravitácie sa môžu zreteľne preukázať len v extrémne silných gravitačných poliach, akým je napríklad pole pulzaru. Doposiaľ Einsteinova teória obstála vo všetkých testoch, ktoré sa uskutočnili, vrátane toho nášho. Každému, kto bude chcieť navrhnúť alternatívnu teóriu gravitácie, môžeme povedať, že musí súhlasiť s výsledkami, ktoré sme získali.“
Využime však interaktívne možnosti internetu a namiesto ďalších mnohých slov na vysvetlenie ponúkame nasledujúce zaujímavé animácie, ktoré znázorňujú princípy a výsledky meraní:
1) Podvojný pulsar PSR J0737-3039A/B pozostáva z binárneho systému dvoch pulzarov A a B, ktoré obiehajú okolo spoločného ťažiska v 2,4 hodinových intervaloch. Jeden sa otočí okolo rotačnej osi raz za 23 milisekúnd, druhý každých 2,8 sekundy. Oba z oblastí svojich magnetických pólov vysielajú rádiové vlny, ktoré v prípade vhodnej vzájomnej konštelácie môžu pozemské rádiové teleskopy zachytávať. Šťastnou náhodou na túto sústavu pozeráme pozdĺž roviny vzájomného obehu oboch pulzarov, a tak je možné pozorovať zákryt 23 milisekundového tým druhým – 2,8 sekundovým. Silné magnetické pole pulzaru zachytáva nabité častice z okolia a vytvára hustý plazmový oblak, pripomínajúci obrovskú pneumatiku okolo magnetického rovníka. Táto plazma pohlcuje signál pulzaru, ktorý je v zákryte za ňou. Ide teda doslova o zatmenie, len sa deje v rádiovom spektre. Zmena polohy 2,8 sekundového pulzaru v popredí vyvoláva aj zmenu v signáli, ktoré zo vzdialenejšieho 23 ms pulzaru za ním prichádza na Zem. Podľa klasickej Newtonovskej fyziky by rotačné osi mali byť vzhľadom na hviezdne pozadie stabilné. Einsteinova teória relativity však predpokladá, že rotačná os bude vykonávať precesný pohyb. V prípade 2,8 sekundového pulzaru B je to niečo vyše 5 oblúkových stupňov za rok.
Animácia (Credit: Rene Breton, McGill University)
Animation by Daniel Cantin, DarwinDimensions
2) Zákryt, či doslova zatmenie pulzaru A pulzarom B v animovanom modeli nastane, ak sivá bodka (priemet obežného pohybu pulzaru A), pohybujúca sa po čiernej čiare, prechádza za pulzarom B. Rádiové signály vysielané pulzarom A sú absorbované plazmou, zachytenou v uzavretých siločiarach dipólovej magnetosféry pulzaru B. Na animácii je znázornená ako farebná bipolárna štruktúra v tvare obruče. Keď sa pulzar A nachádza v zákryte za pulzarom B, je miera viditeľnosti (v rádiovom spektre) pulzaru A premenlivá, závisí od rotačnej fázy pulzaru B. Samozrejme, že to platí len pokiaľ os magnetického dipólu pulzaru B nebude zhodná s jeho rotačnou osou, reprezentovanou sivohnedou šikmou tyčou. Teoretická svetelná krivka, vyplývajúca z modelu je na spodnej časti animácie znázornená čiernou farbou, skutočná krivka, nameraná v apríli roku 2007, červenou. Rýchlosť animácie zodpovedá reálnemu času. Audio záznam predstavuje zvuk, ktorý vzniká zachytením signálu z pulzaru A pomocou rádiového teleskopu, odfiltovaním šumu a zosilnením. Pretože signály z pulzaru A majú príliš rýchlu frekvenciu, nedajú sa jednotlivo rozlíšiť. Tón v animácii je modulovaný a prerušovaný rotáciou pulzaru B, ktorý pulzar A počas zákrytu tieni.
Animácia (Credit: Rene Breton, McGill University)
Animation by Daniel Cantin, DarwinDimensions
3) Precesia rotácie.
Animácia pulzaru B, zobrazujúca v pravidelných prerušovaných časových skokoch počas obdobia január 2004 až január 2029 zmenu polohy rotačnej osi pulzaru B. Skrátená dipolárna magnetosféra, zobrazená ako farebná štruktúra, rotuje okolo osi, ktorú predstavuje šikmá tyč. Zdanlivý obežný pohyb pulzaru A znázorňuje horizontálna čierna priamka v pozadí magnetosféry pulzaru B. Relativistická rotačná precesia sa prejavuje postupnou zmenou orientácie rotačnej osi.Zodpovedajúca teoretická svetelná krivka je znázornená v dolnej časti animácie.
Animácia (Credit: Rene Breton, McGill University)
Animation by Daniel Cantin, DarwinDimensions
Zdroj: McGillova univerzita v Montreali
https://www.mcgill.ca/newsroom/news/item/?item_id=100820
https://www.physics.mcgill.ca/~bretonr/doublepulsar/