Pulsares em sistemas binários são afetados por efeitos relativísticos, fazendo com que os eixos de rotação de cada pulsar mudem de direção com o tempo. Uma equipe de pesquisa liderada por Gregory Desvignes do Instituto Max Planck de Radioastronomia em Bonn, Alemanha, usou observações de rádio da fonte PSR J1906 + 0746 para reconstruir a emissão polarizada sobre o pólo magnético do pulsar e prever o desaparecimento da emissão detectável até 2028. As observações deste sistema confirmam a validade de um modelo de 50 anos que relaciona o radiação do pulsar para sua geometria. Os pesquisadores também são capazes de medir com precisão a taxa de mudança na direção do spin e encontrar um excelente acordo com as previsões da teoria geral da relatividade de Einstein.

O experimento é o teste mais desafiador até agora desse importante efeito da precessão de spin relativística para corpos fortemente autogravitantes. Além disso, o formato do feixe de rádio reconstruído tem implicações para a população de estrelas de nêutrons e a taxa esperada de fusões de estrelas de nêutrons, conforme observado por detectores de ondas gravitacionais como o LIGO.

Os resultados são publicados em Ciência , edição 6 de setembro de 2019.

Os pulsares são estrelas de nêutrons de giro rápido que concentram 40% mais massa do que o Sol - ou mais! - em uma pequena esfera de apenas cerca de 20 km de diâmetro. Eles têm campos magnéticos extremamente fortes e emitem um feixe de ondas de rádio ao longo de seus eixos magnéticos acima de cada um de seus pólos magnéticos opostos. Devido à sua rotação estável, um efeito de farol produz sinais pulsantes que chegam à Terra com a precisão de um relógio atômico. A grande massa, a compactação da fonte, e as propriedades semelhantes às do relógio permitem que os astrônomos os usem como laboratórios para testar a teoria geral da relatividade de Einstein.

A teoria prevê que o espaço-tempo é curvado por corpos massivos como os pulsares. Uma consequência esperada é o efeito da precessão de spin relativística em pulsares binários. O efeito surge de um desalinhamento do vetor de spin de cada pulsar em relação ao vetor de momento angular total do sistema binário, e é provavelmente causado por uma explosão de supernova assimétrica. Esta precessão faz com que a geometria de visualização varie, que pode ser testado observacionalmente, monitorando mudanças sistemáticas no perfil de pulso observado.

Evidências para um perfil de pulso variável atribuído a mudanças na geometria de visualização causadas pela precessão do spin foram observadas e modeladas no pulsar binário Hulse-Taylor B1913 + 16, ganhador do prêmio Nobel. Outros pulsares binários também mostram o efeito, mas nenhum deles permitiu estudos com a precisão e nível de detalhe obtidos com PSR J1906 + 0746.

O alvo é um jovem pulsar com um período de spin de 144 milissegundos em uma órbita de 4 horas em torno de outra estrela de nêutrons na direção da constelação de Aquila (a Águia), muito perto do plano da Via Láctea.

"PSR J1906 + 0746 é um laboratório único no qual podemos restringir simultaneamente a física de emissão do pulsar de rádio e testar a teoria geral da relatividade de Einstein, "diz Gregory Desvignes do Instituto Max Planck de Radioastronomia (MPIfR) em Bonn, o primeiro autor do estudo.

A equipe de pesquisa monitorou o pulsar de 2012 a 2018 com o radiotelescópio Arecibo de 305 m na frequência de 1,4 GHz. Essas observações foram complementadas com dados de arquivo dos radiotelescópios Nançay e Arecibo registrados entre 2005 e 2009. No total, o conjunto de dados disponível compreende 47 épocas que vão de julho de 2005 a junho de 2018.

A equipe percebeu que inicialmente era possível observar os pólos magnéticos opostos do pulsar, quando ambos os feixes norte e sul (referidos como pulso principal e interpulso no estudo) foram apontados para a Terra uma vez por rotação. Com tempo, o feixe do norte desapareceu e apenas o feixe do sul permaneceu visível. Com base em um estudo detalhado das informações de polarização da emissão recebida, foi possível aplicar um modelo de 50 anos, prever que as propriedades de polarização codificam informações sobre a geometria do pulsar. Os dados do pulsar validaram o modelo e também permitiram à equipe medir a taxa de precessão com apenas 5 por cento de nível de incerteza, mais apertado do que a medição da taxa de precessão no sistema Duplo Pulsar, um sistema de referência para tais testes até agora. O valor medido concorda perfeitamente com a previsão da teoria de Einstein.

"Os pulsares podem fornecer testes de gravidade que não podem ser feitos de outra forma, "diz Ingrid Stairs da University of British Columbia em Vancouver, um co-autor do estudo. "Este é mais um belo exemplo de tal teste."

Além disso, a equipe pode prever o desaparecimento e o reaparecimento de ambos, Feixe norte e sul do PSR J1906 + 0746. O feixe do sul desaparecerá da linha de visão por volta de 2028 e reaparecerá entre 2070 e 2090. O feixe do norte deve reaparecer por volta de 2085–2105.

O experimento de 14 anos também forneceu informações interessantes sobre o funcionamento pouco compreendido dos próprios pulsares. A equipe percebeu que a linha de visão da nossa Terra havia cruzado o pólo magnético na direção Norte-Sul, permitindo não apenas um mapa do feixe do pulsar, mas também um estudo das condições de emissão de rádio logo acima do pólo magnético.

"É muito gratificante que, depois de várias décadas, nossa linha de visão está cruzando o pólo magnético de um pulsar pela primeira vez, demonstrando a validade de um modelo proposto em 1969, "explica Kejia Lee do Instituto Kavli de Astronomia e Astrofísica, Universidade de Pequim, Pequim, outro co-autor do artigo. "Em contraste, o formato do feixe é realmente irregular e inesperado. "

O mapa do feixe revela a verdadeira extensão do feixe do pulsar, que determina a porção do céu iluminada pelo feixe. Este parâmetro afeta o número previsto da população de estrelas de nêutrons duplos galácticos e, portanto, a taxa de detecção de onda gravitacional esperada para fusões de estrelas de nêutrons.

"O experimento levou muito tempo para ser concluído, "conclui Michael Kramer, diretor e chefe do departamento de pesquisa "Física Fundamental em Radioastronomia" do MPIfR. "Nos dias de hoje, tristemente, os resultados têm que ser frequentemente rápidos e rápidos, considerando que este pulsar nos ensina muito. Ser paciente e diligente realmente valeu a pena. "