[論文レビュー] The double pulsar -- A new testbed for relativistic gravity

M. Krämer, A. G. Lyne+10 more|arXiv (Cornell University)|May 10, 2004

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、一般相対性理論の強場領域における重力理論の検証に類いまれな実験的条件を提供する最初の二重パルサー系、PSR J0737−3039の発見を報告している。重力赤移動、シャピロ遅延、近日点進動、質量比といった複数のポスト・ケプラー的パラメータを測定することにより、一般相対性理論は過剰に制約され、質量の高精度決定が可能となり、シャピロパラメータ比の予測が0.22%の不確実性で確認された。

ABSTRACT

The first ever double pulsar, discovered by our team a few months ago, consists of two pulsars, one with period of 22 ms and the other with a period of 2.7 s. This binary system with a period of only 2.4-hr provides a truly unique laboratory for relativistic gravitational physics. In this contribution we summarize the published results and look at the prospects of future observations.

研究の動機と目的

• 二重パルサー系PSR J0737−3039が強場領域における相対論的重力理論の新たな実験的条件として有効であるかを調査すること。
• 重力赤移動、シャピロ遅延、近日点進動などの複数のポスト・ケプラー的パラメータを測定し、弱場領域を超えた一般相対性理論の検証を行うこと。
• タイミング測定と軌道的制約を用いて、両方のニュートン星の質量を高精度で決定すること。
• 相対論的歳差効果を通じて、ニュートン星のスピン-軌道結合および慣性モーメントを測定する可能性を検討すること。
• 今後の高精度の重力理論の検証、特にジオデシック歳差および光の伝播補正の可能性を評価すること。

提案手法

• パルサーAとBからの電波パルスの高精度タイミングを、パーキーズおよびロヴェル電波望遠鏡を用いて実施し、ケプラー的およびポスト・ケプラー的軌道パラメータを導出する。
• パルサーBの重力場によるパルサーAのパルス到着時刻のシャピロ遅延を測定し、軌道の傾きと範囲パラメータrの高精度決定を可能にする。
• 質量-質量図法を適用し、一般相対性理論では真の質量に対して複数のポスト・ケプラー的パラメータが一点に交わることを予測する。
• 投影半長径から得られる質量比R = mA/mBを、理論に依存しない制約として用い、ポスト・ケプラー的制約と交差させる。
• ジオデシック歳差、スピン-軌道結合、光の屈曲補正などの高次の相対論的効果をモデル化し、その検出可能性を評価する。
• 将来のVLBIによる軌道周期の時間変化およびパラメータの測定が、重力理論のさらなる精錬と運動学的効果の補正に寄与すると予測する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 二重パルサー系PSR J0737−3039は、以前の二重パルサー系よりも強場領域における一般相対性理論の検証をより厳密に行えるか？
• RQ2 測定されたポスト・ケプラー的パラメータ（例えば近日点進動、シャピロ遅延、重力赤移動）は、一般相対性理論の予測とどの程度一致するか？
• RQ3 質量比R = mA/mBは、理論に依存しない制約として機能し、代替重力理論の妥当性を検証または除外できるか？
• RQ4 この系で相対論的スピン-軌道結合効果は測定可能か？ もしそうなら、ニュートン星の慣性モーメントの決定に利用できるか？
• RQ5 光の屈曲やジオデシック歳差などの高次の効果の検出可能性はどの程度か？ また、それらはタイミングモデルにどのような影響を与えるか？

主な発見

• PSR J0737−3039は、既知の最初の二重パルサーであり、パルサーAの周期は22.7 ms、パルサーBは2.7 sで、2.4時間ごとに公転している。
• 4つのポスト・ケプラー的パラメータが測定された：近日点進動（16.90(1) deg/yr）、重力赤移動（0.38(5) ms）、シャピロ遅延パラメータs = 0.9995(+4/-32)、範囲パラメータr = 5.6(−12/+18) μs。
• 質量比R = mA/mB = 1.069(6)は、投影半長径から導出され、質量平面における理論に依存しない制約を提供している。
• 質量-質量図における4つのポスト・ケプラー的制約と質量比の直線の交点は、一般相対性理論の妥当性を確認し、s_obs/s_exp = 1.0001 ± 0.00220の整合性チェックを達成した。
• 高い相対論的効果（例えばスピン-軌道結合）を示すため、将来的な高精度タイミングによってニュートン星の慣性モーメントが初めて測定可能になると予想される。
• シミュレーションでは、数年の高精度タイミングデータでスピン-軌道結合効果が検出可能であると示されており、これはPSR B1913+16に比べて約1桁大きいと予想される。