[論文レビュー] Testing GR with the Double Pulsar: Recent Results

M. Krämer, Lorimer, D. R.+13 more|ArXiv.org|Mar 17, 2005

Geophysics and Gravity MeasurementsEarth and Planetary Sciences参考文献 1被引用数 16

ひとこと要約

本論文は、2.4時間ごとに公転する2つのパulsarからなる特異な連星系PSR J0737−3039を用いて、一般相対性理論（GR）の強力場領域における最も厳密なテストを提示している。特にシャピロ遅れと近日点進動を含む5つのポスト・ケプラー準拠パラメータを測定することで、GRの妥当性が0.1%の精度で確認され、強力場限界における現在までで最も厳しい制約が得られた。

ABSTRACT

This first ever double pulsar system consists of two pulsars orbiting the common center of mass in a slightly eccentric orbit of only 2.4-hr duration. The pair of pulsars with pulse periods of 22 ms and 2.8 sec, respectively, confirms the long-proposed recycling theory for millisecond pulsars and provides an exciting opportunity to study the works of pulsar magnetospheres by a very fortunate geometrical alignment of the orbit relative to our line-of-sight. In particular, this binary system represents a truly unique laboratory for relativistic gravitational physics. This contribution serves as an update on the currently obtained results and their consequences for the test of general relativity in the strong-field regime. A complete and more up-to-date report of the timing results will be presented elsewhere shortly.

研究の動機と目的

• 二重パルサー系を用いて、極めて相対論的パラメータを持つ強力場領域における一般相対性理論のテストを行う。
• ミリ秒パルサーPSR J0737−3039Aの高精度計測から複数のポスト・ケプラー準拠パラメータを測定する。
• 観測値と一般相対性理論による予測値を比較することで、GRからのずれを制約する。
• 今後のスピン・オービット結合などの高次の相対論的効果の測定を可能とし、中性子星の状態方程式を調べる。
• 二重パルサーを質量およびコンパクト性の極限的条件下での重力の実験的検証に特化した独自の実験施設として確立する。

提案手法

• 高感度電波望遠鏡を用いて、ミリ秒パルサーPSR J0737−3039Aの高精度計測を行い、ポスト・ケプラー（PK）パラメータを測定する。
• 観測された公転周期、離心率、近日点進動を用いて、一般相対性理論から全系質量および質量比を導出する。
• 同伴星の近傍における時空の歪みに起因する重力赤方偏移に起因するパルス到着時刻の遅れから、シャピロ遅れパラメータ$ s $を測定する。
• 導出された質量を用いて、観測された$ s $とGR予測値を比較し、一般相対性理論の強力場領域における妥当性を検証する。
• スピン・オービット結合やジオデトリック進動などの高次の相対論的効果をモデル化し、今後のニュートリノ星の慣性モーメントの測定可能性を評価する。
• 1PN次数までPost-Newton近似を適用し、スピン・オービット結合の補正項を、近日点進動において2PN効果と同等に扱う。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 二重パルサー系を用いて、一般相対性理論を強力場領域で、これまでにない精度でテストできるか？
• RQ2 PSR J0737−3039の測定されたポスト・ケプラー準拠パラメータは、一般相対性理論の予測とどの程度一致するか？
• RQ3 シャピロ遅れパラメータは十分な精度で測定可能であり、GRからのずれを制約できるか？
• RQ4 この系でスピン・オービット結合などの高次の相対論的効果を検出する可能性はどの程度か？
• RQ5 スピン・オービット結合の測定が、慣性モーメントを介して中性子星の状態方程式を直接制約できるか？

主な発見

• 二重パルサー系PSR J0737−3039は、現在までで最も厳しい一般相対性理論の強力場領域におけるテストを提供している。
• GR予測値と観測値のシャピロ遅れパラメータ比は$ s^{ ext{GR}}/s^{ ext{obs}} = 1.0002^{+0.0011}_{-0.0006} $であり、GRの妥当性が0.1%の精度で確認された。
• 全質量は$ M_A + M_B = 2.587\thinspace M_\bigodot $と決定され、個々の質量は$ M_A = 1.338 \thinspace M_\bigodot $および$ M_B = 1.249 \thinspace M_\bigodot $であり、両者とも0.1%の精度で決定された。
• 測定された近日点進動$ \tilde{\rho} = 16.9^\text{deg} \text{yr}^{-1} $は、PSR B1913+16の4倍にのぼり、高精度計測が可能である。
• 約85Myrの短い合体時定数は、初代検出器で中性子星合体からの重力波を検出する可能性を高めている。
• 今後の計測精度向上により、スピン・オービット結合効果の検出が可能となり、これが中性子星の慣性モーメントおよび状態方程式の最初の直接測定につながる可能性がある。