[논문 리뷰] Relativistic Binary Pulsar B1913+16: Thirty Years of Observations and Analysis

J. M. Weisberg, J. H. Taylor|arXiv (Cornell University)|2004. 07. 07.

Pulsars and Gravitational Waves Research인용 수 108

한 줄 요약

이 논문은 상대성 이론적 이중성 펄서 PSR B1913+16에서 30년간의 타이밍 및 편광 데이터를 제시하며, 관측된 궤도 붕괴와 일반 상대성 이론이 예측하는 중력파 방출 간에 0.2% 이내의 정밀한 일치를 입증한다. 또한 지오데식 프리세션으로 인해 펄서의 펄스 형태에 측정 가능한 변화가 발생함을 규명하여, 시계열 형태로 뻣뻣한 빔을 가진 펄서의 방출 빔을 세밀하게 모델링할 수 있었으며, 이 빔은 위도 방향으로 연장되고 중심 부근에서 경도 방향으로 압축되어 있다.

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.

연구 동기 및 목표

• 상대성 이론을 검증하기 위해 상대성 이론적 이중성 펄서 PSR B1913+16의 장기 타이밍 측정을 수행한다.
• 궤도, 천문학적, 스핀 파rameter를 포함한 18개의 파rameter를 포함한 상대론적 타이밍 모델을 사용하여 펄서와 그 연성의 질량을 고정밀도로 결정한다.
• 지오데식 프리세션의 펄스 형태에 미치는 영향을 조사하고, 이를 통해 펄서의 방출 빔의 3차원적 구조를 모델링한다.
• 빔 기하학을 제약하고, 특히 은하계 상수와 펄서 거리에 기인한 체계적 오차의 영향을 평가한다.

제안 방법

• 13 μs의 타이밍 정밀도를 확보하기 위해 아레카이보 관측소에서 WAPP 백엔드를 사용하여 PSR B1913+16의 전파 펄스 도착 시간을 측정하였다. 이는 100 MHz 대역 4개에서 수행되었다.
• TEMPO 타이밍 소프트웨어를 사용하여 Damour & Deruelle(1985, 1986)의 형식을 기반으로 18개의 파rameter(궤도, 천문학, 스핀 파rameter 포함)를 포함한 상대론적 타이밍 모델을 피팅하였다.
• 궤도 주기의 변화율($\dot{P}_b$)을 측정하고, 태양계의 펄서 시스템에 대한 운동에 기반하여 은하계 가속 효과를 보정하였다.
• 측정된 궤도 요소와 유도된 질량를 사용하여 Peters & Matthews(1963)의 공식을 적용하여 일반 상대성 이론에 따른 이론적 $\dot{P}_b$를 계산하였다.
• 펄스 형태의 시간에 따른 변화를 분석하기 위해 일관된 디디스퍼션과 프로파일 중심 기준으로 짝수 및 홀수 성분으로 분해하였다.
• 빔이 비원형이며 시계열 형태인 원뿔 빔 모델을 1400 MHz 프로파일의 짝수 성분에 피팅하였으며, 주요 특징으로는 빔의 위도 방향 연장과 중심 부근에서의 경도 방향 압축이 포함되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 PSR B1913+16의 관측된 궤도 붕괴는 일반 상대성 이론이 중력파 방출에 의해 에너지 손실을 예측하는 것과 어느 정도 일치하는가?
• RQ2 30년에 걸친 펄스 형태의 장기적 변화는 펄서의 스핀축의 지오데식 프리세션을 어떻게 반영하는가?
• RQ3 펄서의 전파 방출 빔의 3차원적 구조는 무엇이며, 단순한 원뿔형 또는 원형 빔에서 얼마나 벗어나 있는가?
• RQ4 이 시스템에서 중력파 검증의 정밀도를 제한하는 주요 체계적 오차는 무엇인가?
• RQ5 430 MHz에서의 코어 성분의 존재와 변화는 빔 기하학과 시선 방향의 운동에 대해 어떤 정보를 제공하는가?

주요 결과

• 보정된 궤도 주기 변화율($\dot{P}_b = -2.4184 \pm 0.0009 \times 10^{-12}$ s/s)은 일반 상대성 이론 예측($\dot{P}_{b,GR} = -2.40242 \pm 0.00002 \times 10^{-12}$ s/s)과 0.2% 이내로 일치하며, 은하계 가속 효과를 보정한 후에 성립한다.
• 보정된 비율 $\dot{P}_{b,\text{corrected}} / \dot{P}_{b,GR} = 1.0013 \pm 0.0021$는 일반 상대성 이론과의 일치를 $(0.13 \pm 0.21)$% 수준에서 지지한다.
• 펄서와 연성의 질량는 각각 $m_p = 1.4414 \pm 0.0002$ 및 $m_c = 1.3867 \pm 0.0002$ 태양질량로 결정되었으며, 이들의 오차는 주로 $G$에 기인한다.
• 지오데식 프리세션으로 인해 시선이 빔을 가로질러 이동하면서 30년에 걸쳐 측정 가능한 펄스 형태 변화가 발생하였으며, 1990년대 중반 이후 주 펄스 성분 간의 간격이 감소하고 있다.
• 방출 빔은 비원형의 시계열 형태의 원뿔 빔으로 가장 잘 설명되며, 위도 방향으로 연장되고 중심 부근에서 경도 방향으로 압축되어 있으며, 스핀과 궤도 운동량의 중심이 약 20° 기울어져 있다.
• 430 MHz에서, 1980년에서 2003년 사이에 펄스 프로파일의 코어 성분이 현저히 흐려졌으며, 이는 시선이 중심에 위치한 코어 빔에서 멀어지고 있음을 지지하는 모델을 뒷받침한다.