En binær pulsar er en pulsar med en binær ledsager, ofte en hvid dværg eller en neutronstjerne. I mindst ét tilfælde, den dobbelte pulsar PSR J0737-3039, er ledsagestjernen også en anden pulsar.

Binære pulsarer er et af de få objekter, som giver fysikerne mulighed for at teste den generelle relativitetsteori i tilfælde af et stærkt gravitationsfelt. Selv om den binære ledsager til pulsaren normalt er vanskelig eller umulig at observere, kan pulserende pulsarers tidspunkter måles med usædvanlig stor nøjagtighed af radioteleskoper. Timingen af binære pulsarer har indirekte bekræftet eksistensen af gravitationsstråling og verificeret Einsteins generelle relativitetsteori.

Dannelse og typer af binære pulsarer

Binære pulsarer dannes typisk i et dobbeltstjernesystem, hvor mindst én af stjernerne ender som en neutronstjerne efter en supernova. Hvis den anden stjerne senere gennemgår massetab eller også kollapser, kan systemet ende som en neutronstjerne–neutronstjerne‑binær, en neutronstjerne med en hvid dværg, eller (teoretisk) en neutronstjerne med et sort hul. Mange binære pulsarer har gennemgået en fase med masseoverførsel, hvor pulsaren er blevet »recyclet« og herved accelereret til meget korte rotationsperioder; sådanne objekter kaldes ofte millisekundpulsarer.

Observation og pulsartiming

Det centrale observationsværktøj er præcis måling af tidspunkter for de radiopulser, pulsaren udsender. Den regelmæssige pulsserie fungerer som et ekstremt stabilt ur: små variationer i pulsernes ankomsttid afslører bevægelse i banen, relativistiske effekter og interaktioner mellem stjernerne. Ved at modellere disse variationer kan astronomer udlede systemets Kepler-parametre og såkaldte post‑Kepleriske parametre, som indeholder relativistisk information.

Praktiske signaler fra en binær pulsar kan omfatte:

  • Dopplervariationer i pulsfrekvensen på grund af pulsarens kredsløb.
  • Tidsafhængige forsinkelser som følge af gravitationel rødning og tidsudvidelse i det binære felt.
  • Shapiro-forsinkelse: ekstra lysrejse-tid når pulsen passerer nær ledsagerens gravitationsbrønd, hvilket afslører systemets inklination og masser.
  • Eklipser eller absorbering af signalet i nogle systemer, fx den dobbelte pulsar, hvor samspil mellem stjernernes magnetosfærer kan give korte afbrydelser.

Relativistiske effekter og tests af gravitation

Binære pulsarer tillader måling af flere relativistiske effekter, som alle kan sammenlignes med forudsigelserne fra den generelle relativitetsteori. De vigtigste målbare effekter er:

  • Periastron‑forudgang (advance of periastron): kredsløbets periastron drejer sig langsomt, som følge af relativistisk gravitation.
  • Orbitens periodens ændring (orbital period decay): langsom forkortelse af kredsløbsperioden pga. energitab gennem gravitationsbølger.
  • Shapiro‑forsinkelse: ekstra tidsforsinkelse for pulser, der passerer nær ledsageren, hvilket giver direkte mål for systemets masse og inklination.
  • Gravitationel rødforskydning og tidsdilation (den såkaldte γ-parameter): kombineret effekt af gravitation og bevægelsestid.
  • Geodetisk præcession: rotationsaksens langsomme præcession, der kan ændre pulsmønsteret over tid.

Historisk er PSR B1913+16 (Hulse–Taylor-pulsaren) det mest berømte eksempel: måling af dens orbitale periodeafkortning gav den første indirekte bekræftelse af udsendelse af gravitationsbølger, i fremragende overensstemmelse med Einsteins forudsigelser. Den dobbelte pulsar PSR J0737-3039 har leveret endnu mere stringent testmateriale, fordi begge objekter er observerbare pulsarer, hvilket gør det muligt at måle flere uafhængige post‑Kepleriske parametre og dermed overbestemme systemet — en stærk test af teorien i stærke gravitationsfelter.

Astrofysiske og fysikalske konsekvenser

Målinger af binære pulsarer giver værdifulde oplysninger om:

  • Masser af neutronstjerner, som igen begrænser den nukleare tilstands-ligning (equation of state) for ultratæt materie.
  • Evolution af dobbeltstjerner, inklusive supernovaprocesser, masseoverførsel og dannelse af kompakte objekter.
  • Gravitationsbølgeteori og alternative teorier til GR: præcise timing-data udelukker eller begrænser mange alternativer til Einsteins teori i stærke felter.

Fremtidige perspektiver

Fortsatte timing‑kampagner med stadig bedre radioteleskoper øger følsomheden for små afvigelser og forbedrer massemålinger. Søgning efter en pulsar i kredsløb omkring et sort hul er et af de vigtigste mål: et sådant system ville være det ultimative laboratorium for stærk‑feltgravitation.

Pulsartiming spiller også en rolle i søgningen efter lavfrekvente gravitationsbølger via pulsartiming‑arrays (PTA), som forsøger at opdage baggrundsstråling fra supermassive sorte hulsystemer. Dette supplerer højfrekvente gravitationsbølgeobservationer fra interferometre som LIGO og Virgo, der fanger sammensmeltninger af kompakte objekter i højere frekvenser.

Konklusion: Binære pulsarer er nøgleobjekter i moderne astrofysik og fundamentale fysikprøver. Deres ekstreme stabilitet som "kosmiske ure" og de stærke gravitationsfelter i deres omgivelser gør dem uundværlige til at teste teorier om tyngdekraft, studere neutronstjerners fysik og søge efter nye fænomener i universet.