Transcript 15-Pulsar
Slide 1
Pulsar “timing”
• Considerazioni tecniche
• Modelli di timing
• Pulsar Binarie
Slide 2
Ancora sulla Dispersione…
Dispersione:
• Gli elettroni liberi nel
mezzo interstellare
causano dispersione
• Impulsi a bassa
frequenza arrivano prima
( in MHz):
dt 4 . 15 10 low high DM
6
2
2
• Se non corretto, l’impulso
sarà “diluito” attraverso la
banda
t 8 . 3 10 DM
3
3
ms per MHz
Slide 3
Strumenti
Receiver
Filterbank
Data-Acq.
ISM
Slide 4
L’Arte del Pulsar Timing
• Elevata precisione
• Test di GR unici
…dopo il fit del modello:
Slide 5
Pulsar Timing
• Misura del tempo di arrivo degli impulsi (TOA)
• Trasferimento al baricentro del sistema solare
Slide 6
Stima dei Parametri
• Parametri di spin: ,
, ,
• Parametri astrometrici: posizione, moto proprio, parallasse
Slide 7
Pulsar Binarie
• 5 Parametri Kepleriani:
Porb, ap, e, , T0
• Parametri
Post-Kepleriani
• Funzione di massa:
f (m p , mc )
4
G
2
a
sin i
p
3
2
orb
P
m c sin i 3
m
mc
2
p
• Assumendo una massa canonica di 1.4 M si può stimare la massa
della compagna in funzione di i. La massa minima si ha per i=90°
Slide 8
Pulsar Binarie
• Un esempio interessante: PSR J1740-3052
• P = 570ms - Periodo orbitale 230 giorni
• Eccentricità = 0.579
• Massa minima della compagna 11 M
• Nessuna evidenza ottica di una stella di massiva !
Slide 9
Pulsar Timing: Sommario
• Si paragona il modello (,, P, dP/dt, Porb, etc..) con i TOA
• Si ottiene una soluzione coerente, con residui “random”
Straordinaria precisione: il Periodo di PSR B1937+21:
P = 0.00155780649243270.0000000000000004 s
L’eccentricità orbitale di J1012+5307:
e < 0.8 x 10-6 – L’oggetto più “rotondo” dell’Universo
Slide 10
3 – Le Pulsars come strumenti
Vedremo adesso alcune applicazioni:
•
•
•
•
•
•
Teorie della gravità
Cosmologia
Pianeti al di fuori del sistema solare
Explosioni di Supernova
Mezzo interstellare
Fisica della materia ultradensa
Slide 11
Teorie della Gravità: Onde Gravitazionali
Le due stelle si
fonderanno in
~300 Milioni di
anni
• L’orbita si restringe di 1 cm al giorno!
Slide 12
Una scoperta recente
(Tesi di Dottorato di Marta Burgay):
La prima pulsar doppia: due pulsar in un
sistema binario altamente relativistico
Porb= 2.4 hr
e = 0.08
PA = 22 ms
PB = 2.8 s
Tempo di coalescenza di soli 85 Milioni di anni
Implica un aumento del tasso di coalescnza dei
sistemi binari di almeno un ordine di grandezza.
Slide 13
Avanzamento relativistico del periastro di
16° per anno, il più elevato mai osservato
Misura estremamente precisa dello
“Shapiro delay”
Decadimento del periodo
orbitale dovuto alla perdita di
energia per emissione di
onde
gravitazionali
osservabile in pochi mesi
Slide 14
Le millisecond pulsar come “rivelatori” di
Onde Gravitazionali
• Timing “relativo” di un campione di millisecond pulsar
• “Bracci” di un gigantesco rivelatore di onde gravitazionali.
Pulsar Timing Array
Slide 15
I primi pianeti al di fuori del sistema Solare, in
orbita attorno a una pulsar.
PSR B1257+12 by
Wolszczan & Frail (1992)
Slide 16
Evidenza di esplosioni di Supernova asimmetriche
• Evidenza
- Disallineamento fra momento di spin e
momento orbitale
- Velocità spaziali delle pulsar fino a 1000 km/s
• Meccanismo di “kick” sconosciuto
Slide 17
Precessione Geodetica
• Accoppiamento Relativistico Spin-Orbita
• Previsto per la prima pulsar binaria da Damour &
Ruffini (1974)
• Periodo di precessione previsto in GR:
(e.g. Barker & O’Connell 1975, Börner et al. 1975)
• Per la prima pulsar binaria B1913+16:
p
= 1.21 deg/year
Quali effetti ci aspettiamo di osservare ?
Slide 18
The Effects of Geodetic Precession
Slide 19
The Effects of Geodetic Precession
• La pulsar può non essere sempre visibile
• La forma dell’impulso può cambiare
Cosa abbiamo osservato per la PSR B1913+16?
Slide 20
La forma dell’impulso di PSR B1913+16
1981
Weisberg et al.’89
1995
Slide 21
Precessione geodetica in B1913+16
• Il fascio diventa più piccolo
• La pulsar sparirà nel 2025
Slide 22
“Glitch” delle pulsar giovani
Fisica dello stato solido
in condizioni estreme:
I
I
2
R
R
Per /=10–8: R=-0.1mm!
Slide 23
Con I “glitch” si studia la struttura interna
delle stelle di neutroni
I “glitch” sono sovrapposti al
rallentamento secolare
Dal fenomeno di rilassamento si
ricavano informazioni sul
supefluido
Slide 24
Pulsar come sonde della struttura
della Galassia
•
•
•
Modello di densità degli elettroni liberi nel mezzo
interstellare
Disomogeneità del mezzointerstellare
Struttura della Galassia
Old situation:
New situation:
Pulsar “timing”
• Considerazioni tecniche
• Modelli di timing
• Pulsar Binarie
Slide 2
Ancora sulla Dispersione…
Dispersione:
• Gli elettroni liberi nel
mezzo interstellare
causano dispersione
• Impulsi a bassa
frequenza arrivano prima
( in MHz):
dt 4 . 15 10 low high DM
6
2
2
• Se non corretto, l’impulso
sarà “diluito” attraverso la
banda
t 8 . 3 10 DM
3
3
ms per MHz
Slide 3
Strumenti
Receiver
Filterbank
Data-Acq.
ISM
Slide 4
L’Arte del Pulsar Timing
• Elevata precisione
• Test di GR unici
…dopo il fit del modello:
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Pulsar Timing
• Misura del tempo di arrivo degli impulsi (TOA)
• Trasferimento al baricentro del sistema solare
Slide 6
Stima dei Parametri
• Parametri di spin: ,
, ,
• Parametri astrometrici: posizione, moto proprio, parallasse
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Pulsar Binarie
• 5 Parametri Kepleriani:
Porb, ap, e, , T0
• Parametri
Post-Kepleriani
• Funzione di massa:
f (m p , mc )
4
G
2
a
sin i
p
3
2
orb
P
m c sin i 3
m
mc
2
p
• Assumendo una massa canonica di 1.4 M si può stimare la massa
della compagna in funzione di i. La massa minima si ha per i=90°
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Pulsar Binarie
• Un esempio interessante: PSR J1740-3052
• P = 570ms - Periodo orbitale 230 giorni
• Eccentricità = 0.579
• Massa minima della compagna 11 M
• Nessuna evidenza ottica di una stella di massiva !
Slide 9
Pulsar Timing: Sommario
• Si paragona il modello (,, P, dP/dt, Porb, etc..) con i TOA
• Si ottiene una soluzione coerente, con residui “random”
Straordinaria precisione: il Periodo di PSR B1937+21:
P = 0.00155780649243270.0000000000000004 s
L’eccentricità orbitale di J1012+5307:
e < 0.8 x 10-6 – L’oggetto più “rotondo” dell’Universo
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3 – Le Pulsars come strumenti
Vedremo adesso alcune applicazioni:
•
•
•
•
•
•
Teorie della gravità
Cosmologia
Pianeti al di fuori del sistema solare
Explosioni di Supernova
Mezzo interstellare
Fisica della materia ultradensa
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Teorie della Gravità: Onde Gravitazionali
Le due stelle si
fonderanno in
~300 Milioni di
anni
• L’orbita si restringe di 1 cm al giorno!
Slide 12
Una scoperta recente
(Tesi di Dottorato di Marta Burgay):
La prima pulsar doppia: due pulsar in un
sistema binario altamente relativistico
Porb= 2.4 hr
e = 0.08
PA = 22 ms
PB = 2.8 s
Tempo di coalescenza di soli 85 Milioni di anni
Implica un aumento del tasso di coalescnza dei
sistemi binari di almeno un ordine di grandezza.
Slide 13
Avanzamento relativistico del periastro di
16° per anno, il più elevato mai osservato
Misura estremamente precisa dello
“Shapiro delay”
Decadimento del periodo
orbitale dovuto alla perdita di
energia per emissione di
onde
gravitazionali
osservabile in pochi mesi
Slide 14
Le millisecond pulsar come “rivelatori” di
Onde Gravitazionali
• Timing “relativo” di un campione di millisecond pulsar
• “Bracci” di un gigantesco rivelatore di onde gravitazionali.
Pulsar Timing Array
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I primi pianeti al di fuori del sistema Solare, in
orbita attorno a una pulsar.
PSR B1257+12 by
Wolszczan & Frail (1992)
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Evidenza di esplosioni di Supernova asimmetriche
• Evidenza
- Disallineamento fra momento di spin e
momento orbitale
- Velocità spaziali delle pulsar fino a 1000 km/s
• Meccanismo di “kick” sconosciuto
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Precessione Geodetica
• Accoppiamento Relativistico Spin-Orbita
• Previsto per la prima pulsar binaria da Damour &
Ruffini (1974)
• Periodo di precessione previsto in GR:
(e.g. Barker & O’Connell 1975, Börner et al. 1975)
• Per la prima pulsar binaria B1913+16:
p
= 1.21 deg/year
Quali effetti ci aspettiamo di osservare ?
Slide 18
The Effects of Geodetic Precession
Slide 19
The Effects of Geodetic Precession
• La pulsar può non essere sempre visibile
• La forma dell’impulso può cambiare
Cosa abbiamo osservato per la PSR B1913+16?
Slide 20
La forma dell’impulso di PSR B1913+16
1981
Weisberg et al.’89
1995
Slide 21
Precessione geodetica in B1913+16
• Il fascio diventa più piccolo
• La pulsar sparirà nel 2025
Slide 22
“Glitch” delle pulsar giovani
Fisica dello stato solido
in condizioni estreme:
I
I
2
R
R
Per /=10–8: R=-0.1mm!
Slide 23
Con I “glitch” si studia la struttura interna
delle stelle di neutroni
I “glitch” sono sovrapposti al
rallentamento secolare
Dal fenomeno di rilassamento si
ricavano informazioni sul
supefluido
Slide 24
Pulsar come sonde della struttura
della Galassia
•
•
•
Modello di densità degli elettroni liberi nel mezzo
interstellare
Disomogeneità del mezzointerstellare
Struttura della Galassia
Old situation:
New situation: