[論文レビュー] The Relativistic Binary Pulsar B1913+16

J. M. Weisberg, J. H. Taylor|arXiv (Cornell University)|Nov 11, 2002

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、1981年から2001年までの5,083回のタイミング測定を用いて、相対論的二重パルサーB1913+16の高精度な相対論的解析を提示し、重力放射による軌道の崩壊によって一般相対性理論が確認された。測定された軌道周期の時間変化率は、一般相対性理論の予測と0.2%の誤差内で一致しており、重力波の放出に強い証拠を提供するとともに、代替重力理論を制限する。

ABSTRACT

We describe the results of a relativistic analysis of our observations of binary pulsar B1913+16, up to the latest measurements in 2001 August.

研究の動機と目的

• 一般相対性理論を強場領域でテストすること。
• 近日点進動、重力赤方偏移、重力放射による軌道崩壊といった相対論的効果を測定すること。
• 相対論的タイミングパラメータを用いて、パルサーとその伴星の質量を制約すること。
• 長期間にわたるパルスプロファイルの変化を用いて、ジオデティック歳差を調査すること。
• 観測結果と一般相対性理論の予測を比較することで、代替重力理論に対する制約を強化すること。

提案手法

• 専用バックエンド（プリンストンMark IIIバックエンドを含む）を用いたデータ取得により、5分間の積分で到着時刻（TOA）の不確実性が約16 μsに達した。
• TEMPOソフトウェアとDamour-Deruelle相対論的タイミングモデルを用いて18パラメータをフィッティングした。
• 換算半長径、離心率、近日点進動率、重力赤方偏移、軌道周期の時間変化率といったケプラー的および相対論的パラメータを用いて、パルサーと伴星の質量を導出した。
• 一般相対性理論の式（1）および（2）を適用し、測定されたパラメータを成分質量および軌道傾斜角に関連づけた。
• 更新された銀河パラメータを用いて、銀河的加速度効果を補正した観測された軌道周期の時間変化率を補正した。
• パルスプロファイルの時間的変化をモデル化し、ジオデティック歳差を検出するため、偶数成分と奇数成分のプロファイルを用いてビーム構造と不均一な放射を分離した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 B1913+16の観測された軌道の崩壊は、重力放射によるエネルギー損失を想定した一般相対性理論の予測と一致するか？
• RQ2 相対論的タイミングパラメータから導かれる、パルサーとその伴星の正確な質量は何か？
• RQ3 ジオデティック歳差は、時間経過に伴い観測されるパルスプロファイルにどのように影響を与えるか？
• RQ4 測定された相対論的効果は、代替重力理論をどの程度排除するか？
• RQ5 重力赤方偏移と近日点進動はどの程度高精度に測定可能であり、一般相対性理論と一致するか？

主な発見

• 測定された軌道周期の時間変化率は (−2.4086 ± 0.0052) × 10⁻¹² s/s であり、一般相対性理論の予測値 (−2.40247 ± 0.00002) × 10⁻¹² s/s と非常に良好に一致している。
• 相対論的タイミングパラメータに基づき、パルサーと伴星の質量はそれぞれ 1.4408 ± 0.0003 M☉ および 1.3873 ± 0.0003 M☉ と決定された。
• 観測された重力放射による減衰効果は、一般相対性理論の予測と0.2%の誤差内で一致しており、重力波の存在を強く支持する。
• 重力放射による近日点時刻のずれの観測値と予測値は、図2に示すように非常に良好に一致している。
• 長期間にわたるパルスプロファイルの変化は、2つの主要なパルス成分の徐々な狭小化を示しており、ジオデティック歳差と時計型の放射ビーム構造と整合的である。
• Weisberg & Taylor (1981) が示したように、多数の代替相対論的重力理論は排除され、さらに妥当なテンソルスカラー理論の制約が強化された。