A millisecond pulsar (MSP) is a pulsar with a rotational period less than about 10 milliseconds. Millisecond pulsars have been detected in radio, X-ray, and gamma ray portions of the electromagnetic spectrum. The leading theory for the origin of millisecond pulsars is that they are old, rapidly rotating neutron stars that have been spun up or "recycled" through accretion of matter from a companion star in a close binary system. For this reason, millisecond pulsars are sometimes called recycled pulsars.

Millisecond pulsars are thought to be related to low-mass X-ray binary systems. It is thought that the X-rays in these systems are emitted by the accretion disk of a neutron star produced by the outer layers of a companion star that has overflowed its Roche lobe. The transfer of angular momentum from this accretion event can theoretically increase the rotation rate of the pulsar to hundreds of times per second, as is observed in millisecond pulsars.

There has been recent evidence that the standard evolutionary model fails to explain the evolution of all millisecond pulsars, especially young millisecond pulsars with relatively high magnetic fields, e.g. PSR B1937+21. Bülent Kiziltan and S. E. Thorsett (UCSC) showed that different millisecond pulsars must form by at least two distinct processes. But the nature of the other process remains a mystery.

Many millisecond pulsars are found in globular clusters. This is consistent with the spin-up theory of their formation, as the extremely high stellar density of these clusters implies a much higher likelihood of a pulsar having (or capturing) a giant companion star.  Currently there are approximately 130 millisecond pulsars known in globular clusters. The globular cluster Terzan 5 contains 37 of these, followed by 47 Tucanae with 22 and M28 and M15 with 8 pulsars each.

Millisecond pulsars, which can be timed with high precision, have a stability comparable to atomic-clock-based time standards when averaged over decades. This also makes them very sensitive probes of their environments. For example, anything placed in orbit around them causes periodic Doppler shifts in their pulses' arrival times on Earth, which can then be analyzed to reveal the presence of the companion and, with enough data, provide precise measurements of the orbit and the object's mass. The technique is so sensitive that even objects as small as asteroids can be detected if they happen to orbit a millisecond pulsar. The first confirmed exoplanets, discovered several years before the first detections of exoplanets around "normal" solar-like stars, were found in orbit around a millisecond pulsar, PSR B1257+12. These planets remained, for many years, the only Earth-mass objects known outside of the Solar System. One of them, PSR B1257+12 D, has an even smaller mass, comparable to that of the Moon, and is still today the smallest-mass object known beyond the Solar System.

Pulsar rotational speed limits 

The first millisecond pulsar, PSR B1937+21, was discovered in 1982 by Backer et al. Spinning roughly 641 times per second, it remains the second fastest-spinning millisecond pulsar of the approximately 200 that have been discovered. Pulsar PSR J1748-2446ad, discovered in 2004, is the fastest-spinning pulsar known, as of 2023, spinning 716 times per second.

Current theories of neutron star structure and evolution predict that pulsars would break apart if they spun at a rate of c. 1500 rotations per second or more, and that at a rate of above about 1000 rotations per second they would lose energy by gravitational radiation faster than the accretion process would accelerate them.

In early 2007 data from the Rossi X-ray Timing Explorer and INTEGRAL spacecraft discovered a neutron star XTE J1739-285 rotating at 1122 Hz. The result is not statistically significant, with a significance level of only 3 sigma. While it is an interesting candidate for further observations, current results are inconclusive.  Still, it is believed that gravitational radiation plays a role in slowing the rate of rotation. One X-ray pulsar that spins at 599 revolutions per second, IGR J00291+5934, is a prime candidate for helping detect such waves in the future (most such X-ray pulsars only spin at around 300 rotations per second).

Gravitational wave detection using pulsar timing

Gravitational waves are an important prediction from Einstein's general theory of relativity and result from the bulk motion of matter, fluctuations during the early universe and the dynamics of space-time itself. Pulsars are rapidly rotating, highly magnetized neutron stars formed during the supernova explosions of massive stars. They act as highly accurate clocks with a wealth of physical applications ranging from celestial mechanics, neutron star seismology, tests of strong-field gravity and Galactic astronomy.

The proposal to use pulsars as gravitational wave detectors was originally made by Sazhin and Detweiler in the late 1970s. The idea is to treat the solar system barycenter and a distant pulsar as opposite ends of an imaginary arm in space. The pulsar acts as the reference clock at one end of the arm sending out regular signals which are monitored by an observer on the Earth. The effect of a passing gravitational wave would be to perturb the local space-time metric and cause a change in the observed rotational frequency of the pulsar.

Hellings and Downs extended this idea in 1983 to an array of pulsars and found that a stochastic background of gravitational waves would produce a quadrupolar correlation between different pulsar pairs as a function of their angular separations on the sky. This work was limited in sensitivity by the precision and stability of the pulsar clocks in the array. Following the discovery of the first millisecond pulsar in 1982, Foster and Backer improved the sensitivity to gravitational waves by applying in 1990 the Hellings-Downs analysis to an array of highly stable millisecond pulsars.

The advent of digital data acquisition systems, new radio telescopes and receiver systems, and the discoveries of many new millisecond pulsars advanced the sensitivity of the pulsar timing array to gravitational waves in the early stages of the international effort. The five-year data release, analysis, and first NANOGrav limit on the stochastic gravitational wave background were described in 2013 by Demorest et al. It was followed by the nine-year and 11-year data releases in 2015 and 2018, respectively. Each further limited the gravitational wave background and, in the second case, techniques to precisely determine the barycenter of the solar system were refined.

In 2020, the collaboration presented the 12.5-year data release, which included strong evidence for a power-law stochastic process with common strain amplitude and spectral index across all pulsars, but statistically inconclusive data for the critical Hellings-Downs quadrupolar spatial correlation.

In June 2023, NANOGrav published the 15-year data release, which contained the first evidence for a stochastic gravitational wave background. In particular, it included the first measurement of the Hellings-Downs curve, the tell-tale sign of the gravitational wave origin of the observations.

References

External links

"How Millisecond Pulsars Spin So Fast". Universe Today.
"Fast-Spinning Star Could Test Gravitational Waves". New Scientist.
"Astronomical whirling dervishes hide their age well". Astronomy Now.
Audio: Cain/Gay - Pulsars Astronomy Cast - Nov 2009.

Millisecond pulsar
밀리초 펄사(, MSP)는 약 40밀리초 미만의 회전 주기를 가지고 있는 펄사를 일컫는다. 밀리초 펄사는 라디오선, X선, 감마선 일부를 포함한 전자기 스펙트럼이 감지된다. 밀리초 펄사의 기원에 대한 주도적 이론은 이들이 나이들고, 빠르게 회전하는 중성자별들로, 근접한 쌍성계에서 동반성으로부터 물질의 첨가를 통해 회전하거나 "재사용" 되어왔다. 이러한 이유로 밀리초 펄사는 재활용된 펄사(recycled pulsars)라고 불리기도 한다.

밀리초 펄사는 낮은 질량의 엑스선 쌍성계와 관련있다고 생각되어왔다. 이 종류의 X선은 로슈 엽을 넘치게 한 쌍성 외층에 의해 생성된 중성자별의 점착 원반에 의해 방출되는 것으로 여겨진다. 이 현상에서 각운동량의 움직임은 이론적으로 밀리초 펄사에서 관찰되는 것처럼, 강착으로부터 펄사의 회전율을 초당 수백 번으로 증가시킬 수 있다.

하지만, 표준 진화 모델이 모든 밀리초 펄사의 진화를 설명하는데 실패한 최근의 증거가 있다. 예시로 PSR B1937+21과 같이 특히 자기장이 비교적 높은 어린 밀리초 펄사와 같은 것이 있다. 뷜렌트 키질턴(Bülent Kiziltan)과 and S. E. Thorsett이 서로 다른 밀리초 펄사들은 적어도 두 개의 뚜렷한 과정에 의해 형성되어야 하는 것을 보여주었다. 그럼에도 자연적인 다른 과정들은 미스터리로 남아 있다.

많은 밀리초 펄사들은 구상성단에서 발견된다. 밀리초 펄사의 형성 과정에 대한 주장이 일치한다. 이것은 그들의 형성에 대한 스핀업 이론과 일치한다. 극단적으로 높은 항성 밀도로서, 이러한 군집들 중에서 펄사가 거대한 동반성(또는 포획)을 가질 가능성이 훨씬 높다는 것을 의미한다. 현재 구상성단 안에는 거의 130개의 밀리초 펄사가 있다고 알려져 있다. 구상성단 Terzan 5에는 37개가 포함되어 있고 큰부리새자리 47는 22개의 밀리초 펄사가, M28과 M15에는 각각 8개의 펄사가 존재한다.

높은 정밀도로 시간을 측정할 수 있는 밀리초 펄사는 평균적으로 수십년에 걸쳐서 원자 시계 기반의 시간 표준과 비슷한 안정성을 갖는다. 이는 또한 환경에 대한 매우 민감한 탐사로 만든다. 예를 들어, 그들 주위의 궤도에 놓여진 어떤 것이든, 펄사는 지구 도착 시간에 주기적인 도플러 이동을 유발하며, 이것은 동료의 존재를 나타내도록 분석할 수 있고 충분한 데이터로 궤도와 물체의 질량을 정확하게 측정할 수 있다. 이 기술은 매우 민감해서, 소행성만큼 작은 물체라도 밀리초 펄사의 궤도를 돌게 된다면 감지될 수 있다. "정상적인" 태양과 같은 별 주위의 외계 행성들이 처음 발견되기 몇 년 전에, 최초로 확인 된 외계 행성들은 밀리초 펄사 PSR B1257+12 주위의 궤도에서 발견되었다. 이 행성들은 수년 동안 태양계 외부에서 알려진 유일한 지구 질량의 물체였다. 그중 하나인 PSR B1257+12 D는 달과 비교할 만할 정도로 질량이 훨씬 작으며 오늘날에도 태양계 바깥에 존재한다고 알려진 가장 작은 물체 중 하나이다.

펄사 회전 속도의 제한 
첫 번째 밀리초 펄사인 PSR B1937+21은 1982년 베커(Backer et al.)에 의해 발견되었다. 1초에 641번 거칠게 회전했고 이것은 이제까지 발견되었던 200개 가량의 펄사 중에서 두 번째로 빠른 속도로 자전하는 밀리초 펄사로 남게 되었다. 2005년 발견된 펄사 PSR J1748-2446ad는 2012년, 현재로서 가장 빠른 속도로 회전하는 펄사로 알려졌다. 이는 1초마다 716번 회전하는 속도이다.

현재 중성자별의 구조와 진화에 대한 이론으로는 펄사가 초당 1500회 이상의 회전 속도로 돌면 분해될 것이라고 예측하고 있다. 그리고 초당 1000회가 넘는 속도로 펄사는 중력으로 생성된 방사선에 의해 에너지를 잃게 될 것이고, 펄사가 더 빨리 가속하게 만들 것이다.

하지만 2007년 초 데이터에서는, Rossi X-ray 시간 탐사기와 INTEGRAL 우주선이 1122헤르츠에서 회전하는 중성자별 XTE J1739-285를 발견했다. 결과는 통계적으로 유의하지 않으며 유의 수준은 3 시그마 밖에 되지 않는다. 따라서 추가 관찰을 위한 흥미로운 후보이지만 현재 결과는 이러한 형식으로선 결론으로 이르지 못한다. 그래도 여전히 중력 방사선이 회전 속도를 늦추는 역할을 하는 것으로 여겨진다. 또한, 초당 599번 회전하는 엑스선 펄사인 IGR J00291+5934는 훗날 이러한 파장을 감지하는 데 도움이 되는 주요 후보가 될 수 있다. 대부분의 엑스선 펄사는 초당 약 300번으로 회전하기 때문이다.

각주

외부 링크 
 "Pinning Down a Pulsar's Age ". Science News.
 "How Millisecond Pulsars Spin So Fast". Universe Today.
 "Fast-Spinning Star Could Test Gravitational Waves". New Scientist.
 "Astronomical whirling dervishes hide their age well ". Astronomy Now.
 Audio: Cain/Gay - Pulsars Astronomy Cast - Nov 2009.

 
펄사