[論文レビュー] Relativistic Binary Pulsar B1913+16: Thirty Years of Observations and Analysis

J. M. Weisberg, J. H. Taylor|arXiv (Cornell University)|Jul 7, 2004

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 108

ひとこと要約

本論文は、相対論的連星パルサー PSR B1913+16 における30年間の時刻および偏光データを提示し、観測された軌道減衰と一般相対性理論による重力波放射の予測との間で0.2%以内の高精度の一致を示している。さらに、測定可能なパルス形状の変化を引き起こすジオデティック歳差が、時計型に歪んだ発光ビームの詳細なモデル化を可能にした。このビームは、緯度方向に引き延ばされ、中心部で経度方向にしぼまっている。

ABSTRACT

We describe results derived from thirty years of observations of PSR B1913+16. Together with the Keplerian orbital parameters, measurements of the relativistic periastron advance and a combination of gravitational redshift and time dilation yield the stellar masses with high accuracy. The measured rate of change of orbital period agrees with that expected from the emission of gravitational radiation, according to general relativity, to within about 0.2 percent. Systematic effects depending on the pulsar distance and on poorly known galactic constants now dominate the error budget, so tighter bounds will be difficult to obtain. Geodetic precession of the pulsar spin axis leads to secular changes in pulse shape as the pulsar-observer geometry changes. This effect makes it possible to model the two-dimensional structure of the beam. We find that the beam is elongated in the latitude direction and appears to be pinched in longitude near its center.

研究の動機と目的

• 相対論的連星パルサー PSR B1913+16 の長期間にわたる時刻測定を通じて一般相対性理論を検証すること。
• 相対論的軌道パラメータを用いて、パルサーとその伴星の質量を高精度で決定すること。
• ジオデティック歳差がパルス形状に与える影響を調査し、それらを用いてパルサー発光ビームの三次元的構造をモデル化すること。
• ビーム幾何学を制約し、特に銀河系定数とパルサー距離に関する系統的不確実性の影響を評価すること。

提案手法

• 13 μs の時刻精度を達成した4つの100 MHz帯域で、アレイシボ観測所を用いて PSR B1913+16 からの電波パルスの到達時刻測定が行われた。
• TEMPO時刻ソフトウェアを用いて、Damour & Deruelle (1985, 1986) の形式に基づき、18パラメータ（軌道、天球測定、スピンパラメータを含む）を含む相対論的時刻モデルをフィットした。
• 太陽系のパルサー系に対する運動を用いて、銀河系加速度効果を補正した上で、軌道周期の変化率 ($\dot{P}_b$) が測定された。
• 理論的 $\dot{P}_b$ は、Peters & Matthews (1963) の公式を用いて、測定された軌道要素と導出された質量を組み合わせて計算された。
• パルス形状の時間的変化は、コherentlyな分散除去と、プロファイル中心を基準とした偶数成分と奇数成分への分解を用いて分析された。
• 非円形の時計型の円錐ビームモデルが、1400 MHz プロファイルの偶数成分にフィットされ、ビームの縦方向への引き延びと経度方向の中心部でのしぼみが主な特徴であった。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 PSR B1913+16 の観測された軌道減衰は、重力波放射によるエネルギー損失を一般相対性理論が予測するものとどの程度一致するか？
• RQ2 30年間にわたるパルス形状の時間的変化は、パルサーの自転軸のジオデティック歳差をどのように反映しているか？
• RQ3 パルサーの電波発光ビームの三次元的構造は何か？ また、単純な円錐形または円形ビームとはどの程度異なるか？
• RQ4 この系における重力波検証の精度を制限する主な系統的不確実性は何か？
• RQ5 430 MHz における低周波数帯のコア成分の存在と変化は、ビーム幾何学および視線方向の運動にどのような情報を与えるか？

主な発見

• 補正済みの軌道周期変化率 ($\dot{P}_b = -2.4184 \pm 0.0009 \times 10^{-12}$ s/s) は、一般相対性理論の予測 ($\dot{P}_{b,GR} = -2.40242 \pm 0.00002 \times 10^{-12}$ s/s) と0.2%以内で一致し、銀河系加速度補正後も成立している。
• 補正済み比 $\dot{P}_{b,\text{corrected}} / \dot{P}_{b,GR} = 1.0013 \pm 0.0021$ は、一般相対性理論との整合性を $(0.13 \pm 0.21)$% のレベルで示している。
• パルサーと伴星の質量はそれぞれ $m_p = 1.4414 \pm 0.0002$ および $m_c = 1.3867 \pm 0.0002$ 太陽質量であり、不確実性は $G$ に支配されている。
• ジオデティック歳差により視線がビームを横断するため、30年間にわたり測定可能なパルス形状の変化が生じ、1990年代半ば以降、メインパルス成分間の分離が減少している。
• 発光ビームは、時計型の非円形円錐形として最もよくモデル化され、緯度方向に引き延ばされ、中心部で経度方向にしぼんでいる。スピン角運動量と軌道角運動量の間には約20°のずれがある。
• 430 MHz では、1980年から2003年にかけてパルスプロファイルのコア成分が顕著に減衰しており、視線が中心コアビームからずれているモデルを支持している。