[論文レビュー] The Highly Relativistic Binary Pulsar PSR J0737-3039A: Discovery and Implications

M. Burgay, N. D’Amico+11 more|arXiv (Cornell University)|May 11, 2004

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、ミリ秒パルサーがもう一つのニュートン星のまわりをきつい非円形軌道で回る、最初に知られた二重パルサー系PSR J0737$-$3039Aの発見を報告している。この系は、近日点進動、重力赤方偏移、シャピロ遅延といった相対論的効果の精密な計測を通じて、一般相対性理論の前例のないテストを可能にし、1年未満の観測で4つのポスト・ケプラー準拠パラメータが測定され、強場重力理論の予測が非常に高い有意水準で確認された。

ABSTRACT

PSR J0737-3039A is a millisecond pulsar with a spin period of 22.7 ms included in a double-neutron star system with an orbital period of 2.4 hrs. Its companion has also been detected as a radio pulsar, making this binary the first known double-pulsar system. Its discovery has important implications for relativistic gravity tests, gravitational wave detection and plasma physics. Here we will shortly describe the discovery of the first pulsar in this unique system and present the first results obtained by follow-up studies.

研究の動機と目的

• 高相対論的軌道にある希少な二重パルサー連星系の特定と特徴の解明を目的とする。
• 相対論的軌道パラメータの精密計測を用いて、一般相対性理論の強場領域における検証を目的とする。
• 二重中性子星系の銀河的合体率の推定と、重力波検出に与える影響を目的とする。
• 軌道力学と質量関数解析を通じて、伴星の性質を制約することを目的とする。
• 地上型検出器（LIGO や VIRGO など）を用いた、この系からの重力波信号の検出可能性を評価することを目的とする。

提案手法

• 信号対雑音比18.7の4分間観測を用いて、パルス局所高緯度パルサー調査（Parkes High-Latitude Pulsar Survey）によりPSR J0737$-$3039Aを検出。
• ドップラー位相シフト補正アルゴリズムを用いて、パルス位相の変化から2.4時間の連星周期と離心率e ≈ 0.09を同定。
• パルス到着時刻の計測解析により、ポスト・ケプラー準拠パラメータ（近日点進動 \dot{\omega} ≈ 17°/yr、重力赤方偏移γ、シャピロ遅延rおよびs = sin i）を測定。
• パルサー質量関数M_f = 0.29 M_⊙の計算により、最小伴星質量1.24 M_⊙が推定され、第二の中性子星の存在を支持。
• 系統の寿命τ_m ≈ 85 Myrのモデル化とPSR B1913+16との比較により、合体率スケーリング要因を推定。
• 光度と距離スケーリングを用いた銀河的二重中性子星合体率の推定により、LIGO/VIRGOの予想検出率が約10倍に増加することが示唆された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 二重パルサー系PSR J0737$-$3039Aの伴星の性質は何か？その質量と軌道離心率は、形成モデルにどのような制約を課えるか？
• RQ2 PSR J0737$-$3039Aで観測されたポスト・ケプラー準拠パラメータは、一般相対性理論の強場領域における検証にどの程度利用可能か？
• RQ3 この系の発見は、地上型検出器による二重中性子星合体からの重力波検出率にどのような影響を与えるか？
• RQ4 PSR J0737$-$3039Aの予想合体時定数は何か？PSR B1913+16などの既知の連星パルサーと比較するとどうか？
• RQ5 この系の低いパルス放射度と短い寿命は、銀河的二重中性子星系の人口推定にどのように影響を与えるか？

主な発見

• PSR J0737$-$3039Aは、最初に知られた二重パルサー系であり、22.7 msの自転周期を持つミリ秒パルサーが2.4時間の軌道を回る第二の中性子星と連星を形成している。
• 近日点進動率\dot{\omega} ≈ 17°/yrは、これまでに観測された中で最も高く、一般相対性理論と整合的である。
• 8か月未満の計測観測で4つのポスト・ケプラー準拠パラメータ（\dot{\omega}、γ、r、s）が測定され、一般相対性理論の二重の独立した検証が可能になった。
• 全系質量は2.58 M_⊙と推定され、パルサー質量は1.34 M_⊙、伴星質量は1.24 M_⊙であり、第二の中性子星と整合的である。
• 合体時定数はτ_m ≈ 85 Myrであり、PSR B1913+16の235–365 Myrと比較して顕著に短く、予想される銀河的合体率が約10倍に増加した。
• 地上型重力波検出器（LIGO や VIRGO など）の予想検出率は、数十年に1回から数年に1回にまで向上した。