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Long-term timing of the relativistic binary PSR J1906+0746

यह अध्ययन छह रेडियो दूरबीनों के डेटा का उपयोग करके सापेक्षतावादी बाइनरी PSR J1906+0746 का एक 18-वर्षीय टाइमिंग विश्लेषण प्रस्तुत करता है, जो इसके कक्षीय मापदंडों और घटकों के द्रव्यमान के सटीक मापन को प्रदान करता है जो सामान्य सापेक्षता के तहत एक डबल न्यूट्रॉन स्टार प्रणाली के अनुरूप है, साथ ही एक बड़े ग्लिच का लक्षण वर्णन करता है और प्रक्षेपित अर्ध-दीर्घ अक्ष (प्रोजेक्टेड सेमी-मेजर एक्सिस) में एक संभावित सेकुलर परिवर्तन की रिपोर्ट करता है जो एक विशाल, तेज़-घूमने वाले व्हाइट ड्वार्फ साथी की ओर संकेत कर सकता है।

मूल लेखक: L. Vleeschower, B. W. Stappers, M. J. Keith, G. Desvignes, P. C. C. Freire, M. Kramer, J. van Leeuwen, L. Levin, A. G. Lyne, I. H. Stairs, V. Venkatraman Krishnan, Y. Y. Wang

प्रकाशित 2026-03-04

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CC BY 4.0

मूल लेखक: L. Vleeschower, B. W. Stappers, M. J. Keith, G. Desvignes, P. C. C. Freire, M. Kramer, J. van Leeuwen, L. Levin, A. G. Lyne, I. H. Stairs, V. Venkatraman Krishnan, Y. Y. Wang

मूल पेपर CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) के तहत लाइसेंस किया गया है। ✨ नीचे दिए गए पेपर की यह व्याख्या AI से तैयार की गई है। इसे लेखकों ने न तो लिखा है, न इसका समर्थन किया है। तकनीकी सटीकता के लिए मूल पेपर देखें। पूरा डिस्क्लेमर पढ़ें

कल्पना कीजिए कि ब्रह्मांड एक विशाल, ब्रह्मांडीय नृत्य मंच (कॉस्मिक डांस फ्लोर) है। इस मंच पर, दो भारी साथी अविश्वसनीय गति से एक-दूसरे के चारों ओर घूम रहे हैं। एक साथी एक पल्सर (pulsar) है—एक मृत, अत्यंत सघन तारा (न्यूट्रॉन स्टार) जो एक लाइटहाउस की तरह काम करता है, और रेडियो तरंगों को पूरी नियमितता के साथ हमारी ओर बीम करता है। दूसरा साथी इसका रहस्यमय साथी है।

18 वर्षों से अधिक समय से, खगोलविद इस विशिष्ट नृत्य जोड़ी, जिसे PSR J1906+0746 के रूप में जाना जाता है, को दुनिया भर में फैले छह विशाल रेडियो टेलीस्कोपों (जिसमें प्रसिद्ध एरेसिबो, चीन का विशाल FAST और अन्य शामिल हैं) का उपयोग करके देख रहे हैं। उन्होंने पल्सर की रेडियो बीपों को एक ब्रह्मांडीय मेट्रोनोम (ताल यंत्र) की तरह माना, यह सुनने के लिए कि क्या लय बदलती है।

यहाँ उनकी खोज की कहानी है, जिसे सरल अवधारणाओं में विभाजित किया गया है:

1. सटीक घड़ी (और बड़ी गड़बड़ी/ग्लिच)

पल्सर आमतौर पर ब्रह्मांड की सबसे विश्वसनीय घड़ियाँ होते हैं। यदि आप अपनी घड़ी उनके द्वारा निर्धारित समय से सेट करते हैं, तो वह कभी एक सेकंड भी नहीं खोएगी। हालाँकि, इस विशिष्ट पल्सर ने एक "तौंड्रम" (गुस्सा) दिखाया।

2014 के आसपास, पल्सर अचानक तेज हो गया। इसे ऐसे समझें जैसे एक धावक, जो एक स्थिर गति से जॉगिंग कर रहा है, अचानक ऊर्जा का एक विस्फोट पाता है और आगे की ओर दौड़ लगा देता है, और फिर धीरे-धीरे एक नई, थोड़ी तेज़ लय में वापस स्थिर हो जाता है। इस घटना को ग्लिच (glitch) कहा जाता है।

आकार: यह एक बहुत बड़ा ग्लिच था, जो प्रसिद्ध "वेला" (Vela) पल्सर के गुस्से के बराबर था।
परिणाम: पल्सर केवल सामान्य नहीं हुआ; इसे शांत होने में लगभग 100 दिन लगे, और इसकी "स्पिन-डाउन" दर (जिस गति से यह स्वाभाविक रूप से धीमा होता है) स्थायी रूप से बदल गई।

2. ब्रह्मांडीय डगमगाहट (जियोडेटिक प्रीसेशन)

यह नृत्य जोड़ी केवल घूम नहीं रही है; वे डगमगा (wobble) भी रही हैं। क्योंकि वे इतनी भारी और करीब हैं, उनका गुरुत्वाकर्षण उनके चारों ओर स्पेस-टाइम (स्थान-काल) के ताने-बाने को मरोड़ देता है (आइंस्टीन के सामान्य सापेक्षता के सिद्धांत की एक अवधारणा)।

एक घूमते हुए लट्टू (spinning top) की कल्पना करें। जैसे-जैसे वह घूमता है, उसका अक्ष एक घेरे में डगमगाता है। यह पल्सर भी ऐसा ही कर रहा है, लेकिन ब्रह्मांडीय पैमाने पर। इस डगमगाहट के कारण, इसकी "लाइटहाउस बीम" पृथ्वी के सापेक्ष अपना कोण धीरे-धीरे बदल रही है।

पूर्वानुमान: खगोलविदों ने गणना की है कि यह डगमगाहट इतनी चरम है कि पल्सर की बीम अंततः पूरी तरह से पृथ्वी से दूर हट जाएगी। 2028 तक, पल्सर प्रभावी रूप से हमारे लिए "अंधेरा" हो जाएगा, और जब डगमगाहट इसे वापस दृश्य में लाएगी, तब तक हम इसे लगभग 2070-2090 के आसपास ही देख पाएंगे।

3. नृत्य साथी का रहस्य

सबसे बड़ा सवाल यह था कि: दूसरा नर्तक कौन है?
चूंकि पल्सर युवा है और इसे अपने साथी से पदार्थ खाकर "रीसायकल" (तेज) नहीं किया गया है, इसलिए यह इस प्रणाली में बनने वाली दूसरी वस्तु होनी चाहिए। इसका मतलब है कि पहली वस्तु बनी, मरी, और आज हम जो साथी देखते हैं वह बनी।

इसके साथी के बारे में दो सिद्धांत हैं:

सिद्धांत A: जुड़वां न्यूट्रॉन स्टार। शायद साथी एक और न्यूट्रॉन स्टार है। यदि ऐसा है, तो इसे डेटा समझाने के लिए अविश्वसनीय रूप से तेज़ (जैसे कि मिलिसेकंड पल्सर) घूमना होगा।
सिद्धांत B: एक विशाल व्हाइट ड्वार्फ (श्वेत बौना तारा)। या, साथी एक "व्हाइट ड्वार्फ" (एक मृत तारा, लेकिन न्यूट्रॉन स्टार की तुलना में कम सघन) है जो बहुत तेज़ी से घूम रहा है।

सुराग: खगोलविदों ने समय के साथ कक्षा (ऑर्बिट) के आकार में एक सूक्ष्म परिवर्तन देखा। यह ऐसा है जैसे आप यह नोटिस कर रहे हों कि नृत्य मंच स्वयं धीरे-धीरे झुक रहा है। यह झुकाव साथी के स्पिन के कारण कक्षा पर पड़ने वाले खिंचाव (एक घटना जिसे स्पिन-ऑर्बिट कपलिंग कहा जाता है) के कारण होता है।

उन्होंने जो झुकाव मापा है वह एक प्रसिद्ध प्रणाली (PSR J1141-6545) के बहुत समान है, जहाँ साथी एक तेज़-घूमने वाला व्हाइट ड्वार्फ है।
ट्विस्ट: यदि साथी एक व्हाइट ड्वार्फ है, तो इसका मतलब है कि "नृत्य" की शुरुआत व्हाइट ड्वार्फ के पहले बनने, घूमने और फिर पल्सर के सुपरनोवा विस्फोट के रूप में जन्म लेने से हुई थी। यह सामान्य कहानी को उलट देता है!

4. आइंस्टीन के नियमों का परीक्षण करना

हम इसकी परवाह क्यों करते हैं? क्योंकि यह प्रणाली सामान्य सापेक्षता (आइंस्टीन के गुरुत्वाकर्षण सिद्धांत) का परीक्षण करने के लिए एक आदर्श प्रयोगशाला है।

खगोलविदों ने समय के साथ कक्षा के सिकुड़ने को मापा। आइंस्टीन ने भविष्यवाणी की थी कि एक-दूसरे के चारों ओर घूम रही दो भारी वस्तुएं गुरुत्वाकर्षण तरंगों (स्पेस-टाइम की लहरों) को उत्सर्जित करके ऊर्जा खो देंगी, जिससे वे एक-दूसरे के करीब आती जाएँगी।
कक्षा के सिकुड़ने के उनके माप आइंस्टीन की भविष्यवाणी के साथ लगभग पूरी तरह मेल खाते हैं। यह पुष्टि करता है कि गुरुत्वाकर्षण बिल्कुल वैसे ही काम करता है जैसा आइंस्टीन ने कहा था, यहाँ तक कि इन चरम स्थितियों में भी।

5. सिग्नल में "शोर" (Noise)

डेटा पूरी तरह से साफ नहीं था। डेटा में एक "हूँ" या "शोर" था जो हर 2 साल में दोहराई जाने वाली एक पैटर्न की तरह लग रहा था।

टीम ने सोचा: क्या कोई तीसरा नर्तक हो सकता है? शायद जोड़ी के चारों ओर घूमता हुआ कोई ग्रह?
उन्होंने गणित लगाया, और हालांकि एक ग्रह डेटा में फिट बैठ सकता है, लेकिन इसकी अधिक संभावना है कि यह 2-वर्षीय पैटर्न पल्सर के अपने चुंबकीय क्षेत्र या वायुमंडल का अजीब व्यवहार है। यह हवा में एक लय सुनने जैसा है और यह सोचना कि क्या वह एक ढोल है, जबकि वास्तव में वह केवल पेड़ों के हिलने की आवाज़ है।

बड़ी तस्वीर

यह शोध पत्र धैर्य और सटीकता का एक उत्कृष्ट उदाहरण है। लगभग दो दशकों तक एक ब्रह्मांडीय लाइटहाउस को सुनकर, अमेरिका, चीन, यूरोप और दक्षिण अफ्रीका के टेलीस्कोपों का उपयोग करके, टीम ने:

पुष्टि की कि आइंस्टीन का गुरुत्वाकर्षण सही है।
एक पल्सर को एक बड़े "ग्लिच" के दौरान पकड़ा।
भविष्यवाणी की कि यह पल्सर कब हमारे दृश्य से ओझल हो जाएगा।
इस बात के पुख्ता सबूत दिए कि इसका साथी एक तेज़-घूमने वाला व्हाइट ड्वार्फ हो सकता है, जो इसे एक दुर्लभ और विशेष "ट्रिपल-जनरेशन" प्रणाली बनाता है।

यह एक याद दिलाता है कि अंतरिक्ष के ठंडे, मृत निर्वात में भी, तारे अभी भी नाच रहे हैं, डगमगा रहे हैं और हमें ब्रह्मांड कैसे काम करता है, इसके बारे में रहस्य बता रहे हैं—यदि हम बस ध्यान से सुनें।

यहाँ "Long-term timing of the relativistic binary PSR J1906+0746" शोध पत्र का विस्तृत तकनीकी सारांश दिया गया है:

1. समस्या और प्रेरणा

PSR J1906+0746 एक युवा (विशिष्ट आयु $\tau_c \approx 112$ kyr) सापेक्षिक बाइनरी पल्सर है, जिसका स्पिन पीरियड 114 ms है और यह हर 3.98 घंटे में एक सघन साथी (compact companion) की परिक्रमा करता है। पिछले टाइमिंग विश्लेषणों (जैसे van Leeuwen et al. 2015) ने इसे पोस्ट-केपलरियन (PK) मापदंडों के सटीक मापन के साथ एक डबल न्यूट्रॉन स्टार (DNS) उम्मीदवार के रूप में स्थापित किया था। हालाँकि, इस प्रणाली की प्रकृति अभी भी संदिग्ध है:

साथी की पहचान: हालांकि यह एक DNS प्रणाली के अनुरूप है, साथी का द्रव्यमान और प्रणाली का विकासवादी इतिहास इस संभावना को खुला छोड़ देता है कि यह एक विशाल, तेज़ घूमने वाला व्हाइट ड्वार्फ (WD) हो सकता है जो पल्सर से पहले बना था (जैसा कि PSR J1141–6545 में देखा गया है)।
टाइमिंग नॉइज़ और ग्लिच: पल्सर महत्वपूर्ण टाइमिंग नॉइज़ और एक बड़े ग्लिच (glitch) को प्रदर्शित करता है, जो दीर्घकालिक टाइमिंग समाधानों और सटीक कक्षीय मापदंडों के निष्कर्षण को जटिल बनाता है।
परिशुद्धता सीमाएँ: पूर्ववर्ती $\dot{P}_b$ (कक्षीय अवधि का व्युत्पन्न) और $\dot{x}$ (प्रक्षेपित अर्ध-दीर्घ अक्ष के परिवर्तन की दर) के मापन में वह परिशुद्धता नहीं थी जो सामान्य सापेक्षता (GR) के अनुमानों और स्पिन-ऑर्बिट कपलिंग से जुड़े वैकल्पिक परिदृश्यों के बीच स्पष्ट अंतर करने के लिए आवश्यक थी।

इस अध्ययन का प्राथमिक लक्ष्य PK मापदंडों को परिष्कृत करने, $\dot{x}$ को मापने और साथी की प्रकृति तथा GR की वैधता को सीमित करने के लिए एक सुसंगत 18-वर्षीय टाइमिंग विश्लेषण करना है।

2. कार्यप्रणाली

लेखकों ने मई 2005 से अगस्त 2023 तक फैले छह रेडियो टेलीस्कोपों (Arecibo, FAST, Green Bank, Lovell, MeerKAT, और Nançay) के डेटा का उपयोग करके एक व्यापक टाइमिंग विश्लेषण किया।

डेटा रिडक्शन:
- डेटा को विभिन्न बैकएंड्स (WAPP, ASP, PUPPI, GASP, BON, AFB, DFB, PTUSE) का उपयोग करके संसाधित किया गया।
- रेडियो फ्रीक्वेंसी इंटरफेरेंस (RFI) को मैन्युअल रूप से या एल्गोरिदम (PSRZAP, CLFD) के माध्यम से हटाया गया।
- जियोडेटिक प्रीसेशन के कारण होने वाले प्रोफाइल विकास को ध्यान में रखते हुए, कई टेम्प्लेट का उपयोग करके पल्स प्रोफाइल को मॉडल किया गया।
- नॉइलेस टेम्प्लेट के विरुद्ध क्रॉस-कोरिलेशन का उपयोग करके 'टाइम्स ऑफ अराइवल' (ToAs) निकाले गए।
टाइमिंग मॉडल:
- सुसंगत जुड़ाव (Coherent Connection): लेखकों ने पूरे 18.2-वर्षीय डेटासेट में चरण सुसंगतता (phase coherence) प्राप्त की, जिसमें MJD 56664 के आसपास हुए एक बड़े ग्लिच को सफलतापूर्वक जोड़ा गया।
- रेड नॉइज़ मॉडलिंग: पिछले अध्ययनों के विपरीत, जहाँ टाइमिंग नॉइज़ को मनमाने ऑफसेट्स के रूप में माना जाता था, इस कार्य में रेड नॉइज़ को एक पावर-लॉ फूरियर बेसिस के साथ गाऊसी प्रक्रिया (Gaussian process) के रूप में मॉडल करने के लिए RUN_ENTERPRISE (Keith et al. 2022) का उपयोग किया गया। इसने टाइमिंग नॉइज़ और भौतिक मापदंडों के समवर्ती फिटिंग (simultaneous fitting) को संभव बनाया।
- बाइनरी मॉडल: विश्लेषण में सिद्धांत-स्वतंत्र फिट के लिए DD (Damour-Deruelle) मॉडल और द्रव्यमान प्राप्त करने के लिए GR को मानते हुए DDGR मॉडल का उपयोग किया गया।
- ग्लिच मॉडलिंग: अचानक आवृत्ति वृद्धि और उसके बाद के विश्राम (relaxation) को समझाने के लिए एक विशिष्ट ग्लिच मॉडल को फिट किया गया।
काइनेमैटिक सुधार: अंतर्निहित कक्षीय क्षय (intrinsic orbital decay) प्राप्त करने के लिए प्रेक्षित कक्षीय अवधि व्युत्पन्न ( $\dot{P}_{b,obs}$ ) को गैलेक्टिक त्वरण और श्कोवस्की प्रभाव (transverse Doppler shift) के लिए सुधारा गया।

3. मुख्य योगदान

विस्तारित आधार रेखा (Extended Baseline): टाइमिंग बेसलाइन को पिछले कार्य की तुलना में लगभग 4.5 गुना बढ़ाया गया, जो 18 वर्षों के डेटा को कवर करता है।
उन्नत शोर मॉडलिंग: रेड नॉइज़ के लिए फूरियर-आधारिस गाऊसी प्रक्रिया का अनुप्रयोग विशेष रूप से $\dot{P}_b$ और $\dot{x}$ के लिए मापदंड अनुमान की परिशुद्धता में सुधार करता है।
$\dot{x}$ का प्रथम पता लगाना: यह अध्ययन इस प्रणाली के प्रक्षेपित अर्ध-दीर्घ अक्ष के धर्मनिरपेक्ष परिवर्तन ( $\dot{x}$ ) का पहला $3\sigma$ पता लगाने की रिपोर्ट करता है।
ग्लिच लक्षण वर्णन: MJD 566ks के एक बड़े ग्लिच का विस्तृत लक्षण वर्णन किया गया, जिसमें वेला पल्सर के तुलनीय भिन्नात्मक आवृत्ति वृद्धि देखी गई।

4. मुख्य परिणाम

टाइमिंग पैरामीटर और द्रव्यमान

पोस्ट-केपलरियन पैरामीटर:
- पेरियास्ट्रॉन का अग्रिम (Advance of periastron): $\dot{\omega} = 7.5841(2)$ deg yr $^{-1}$ (पिछले से 2.5 गुणा अधिक सटीक)।
- आइंस्टीन विलंब (Einstein delay): $\gamma = 4.59(2) \times 10^{-4}$ s।
- कक्षीय अवधि व्युत्पन्न: $\dot{P}_b = -5.65(2) \times 10^{-13}$ s s $^{-1}$ (15 गुणा अधिक सटीक)।
द्रव्यमान (GR मानते हुए):
- कुल द्रव्यमान: $M_{total} = 2.6133(1) M_\odot$ ।
- पल्सर द्रव्यमान: $M_p = 1.316(5) M_\odot$ ।
- साथी द्रव्यमान: $M_c = 1.297(5) M_\odot$ ।
- ये मान एक डबल न्यूट्रॉन स्टार (DNS) प्रणाली के अनुरूप हैं और 1% से बेहतर सटीकता के साथ GR भविष्यवाणियों से सहमत हैं।

$\dot{x}$ विसंगति

लेखकों ने प्रक्षेपित अर्ध-दीर्घ अक्ष में धर्मनिरपेक्ष परिवर्तन को मापा: $\dot{x} = -1.8(6) \times 10^{-13}$ lt-s s $^{-1}$ ।
निहितार्थ:
- यदि साथी एक न्यूट्रॉन स्टार है, तो उसे स्पिन-ऑर्बिट कपलिंग के माध्यम से इस $\dot{x}$ को उत्पन्न करने के लिए 10 ms से तेज़ घूमने वाले पुनर्चक्रित (recycled) पल्सर की आवश्यकता होगी। हालाँकि, गहन खोजों के बावजूद ऐसा कोई पल्सर सिग्नल नहीं मिला है।
- यदि साथी एक व्हाइट ड्वार्फ है, तो $\sim$ 4 मिनट का स्पिन पीरियड लेंज़-थिरिंग प्रभाव और शास्त्रीय चतुष्ध्रुवीय (quadrupole) कपलिंग के माध्यम से देखे गए $\dot{x}$ की व्याख्या कर सकता है। यह उस विकासवादी इतिहास के अनुरूप है जहाँ WD पहले बना था और पल्सर के पूर्वज से अभिवृद्धि (accretion) द्वारा स्पिन अप हुआ था।
द्रव्यमान सहसंबंध: $\dot{x}$ को फिट में शामिल करने से $\dot{x}$ और $\gamma$ के बीच सहसंबंध के कारण द्रव्यमान अनुमानों में $\sim 3.sigma$ का बदलाव आता है। इस परिदृश्य में, $M_c \approx 1.19 M_\odot$ और $M_p \approx 1.42 M_\odot$ है। हालांकि यह बदला हुआ है, फिर भी ये द्रव्यमान एक विशाल WD परिदृश्य के अनुकूल बने हुए हैं।

ग्लिच और टाइमिंग नॉइज़

ग्लिच: MJD 56664 पर एक बड़ा ग्लिच हुआ जिसमें $\Delta\nu/\nu = 5.899(2) \times 10^{-6}$ था। इसने $\tau_d \approx 100$ दिनों के टाइमस्केल और $Q = 0.005$ के रिकवरी फ्रैक्शन के साथ एक घातांकीय रिकवरी (exponential recovery) प्रदर्शित की।
अर्ध-आवर्तता (Quasi-periodicity): अवशेष (residuals) और $\dot{\nu}$ परिवर्तन $\sim$ 2 वर्ष की संभावित आवर्तता दिखाते हैं। हालांकि एक ग्रहीय साथी की परिकल्पना की गई थी, लेखक सुझाव देते हैं कि यह इसके बजाय आंतरिक मैग्नेटोस्फेरिक परिवर्तनशीलता हो सकती है, क्योंकि 2-वर्षीय अवधि टाइमिंग नॉइज़ के पावर स्पेक्ट्रल डेंसिटी में भी देखी जाती है।

5. महत्व

सामान्य सापेक्षता का परीक्षण: यह प्रणाली GR का एक कठोर परीक्षण प्रदान करती है। PK मापदंडों की GR भविष्यवाणियों के साथ निरंतरता (1% के भीतर) मजबूत क्षेत्र (strong-field) में सिद्धांत की वैधता को पुख्ता करती है।
साथी की प्रकृति: $\dot{x}$ का पता लगाना साथी की प्रकृति के लिए एक अनूठा अवसर प्रदान करता है। यदि यह एक तेज़ घूमने वाले WD के रूप में पुष्ट होता है, तो PSR J1906+0746 वैकल्पिक गुरुत्वाकर्षण सिद्धांतों (जैसे स्केलर-टेन्सर सिद्धांत) द्वारा अनुमानित द्विध्रुवीय गुरुत्वाकर्षण तरंग उत्सर्जन (dipolar gravitational wave emission) के परीक्षण के लिए एक महत्वपूर्ण प्रयोगशाला होगा।
भावी संभावनाएं: भविष्यवाणी की गई है कि जियोडेटिक प्रीसेशन के कारण पल्सर का उत्सर्जन 2028 तक गायब हो जाएगा, और 2070 के दशक में ही पुनः प्रकट होगा। यह वर्तमान 18-वर्षीय डेटासेट इस प्रणाली की गतिशीलता के लिए एक महत्वपूर्ण "स्नैपशॉट" बनाता है। किनेमैटिक प्रभावों को अंतर्निहित कक्षीय क्षय से अलग करने के लिए पर्याप्त सटीक प्रॉपर मोशन मापने हेतु स्क्वायर किलोमीटरल इंटेंसिटी अरे (SKA) के साथ भविष्य के अवलोकन आवश्यक होंगे, जिससे द्विध्रुवीय गुरुत्वाकर्षण विकिरण के निर्णायक परीक्षण संभव हो सकेंगे।

निष्कर्षतः, यह शोध पत्र PSR J1906+0746 के टाइमिंग समाधान को महत्वपूर्ण रूप से परिष्कृत करता है, अब तक के सबसे सटीक द्रव्यमान मापन प्रदान करता है, और इस सम्मोहक, हालांकि अभी तक निर्णायक नहीं, साक्ष्य को प्रस्तुत करता है कि इसका साथी एक न्यूट्रॉन स्टार के बजाय एक विशाल, तेज़ घूमने वाला व्हाइट ड्वार्फ हो सकता है।