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双脉冲星：检验爱因斯坦预言 |
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| 作者：王娟 宇宙文章来源：《科技日报》 点击数： 更新时间：2005-5-15 | |||||
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梦幻星空宇宙网站宇宙时空频道，关于白矮星，中子星，类星体等主题的文章《双脉冲星：检验爱因斯坦预言》,主要内容讲述脉冲星,双脉冲星,爱因斯坦等 自从人类进化到两脚着地头顶蓝天以后，神秘的星空就使无数的人为它痴迷，它的魅力无穷无尽，吸引着一代又一代的人一直坚持不懈的探索着。至今为止，人类已经了解了很多关于它的知识。在2004年，天文学家又取得了突破性进展，天文学家发现了由一对高速旋转的脉冲星组成的双星，名字叫PSRJ0737-3039A/B，这被称为人类研究中子星36年来一个“分水岭”式的发现。 “与1974年发现的名为PSR1913＋16脉冲双星相比，这一双脉冲星系统的轨道周期更短，引力辐射更强，是一个更理想的引力波实验室。双星系统中的两颗星都是脉冲星，又成为研究两个脉冲星之间相互影响的实验室。这都意味着这次发现的双脉冲星系统具有新的特点和更高的研究价值。”北京大学天文系教授吴鑫基说。 30年探索天文学家终有获 “从1974年赫尔斯和泰勒教授发现第一个射电脉冲双星PSR1913＋16以后，天文学家花了30年的时间才发现这个双脉冲星系统，如此之难，显得弥足珍贵。”吴鑫基教授说。 据了解，2003年4月被发现的PSRJ0737－3039A，周期22毫秒，它的脉冲周期在变，有时长有时短，并且有规律可寻，据此，科学家肯定这是一个双星系统，并将这一结果发布在2003年12月的《自然》杂志上。 一个月后，也就是到了2004年，当来自澳大利亚Parkes天文望远镜的数据被重新分析时，研究人员证实B星实际上也是一颗脉冲星。 “发现双脉冲星系统是极其困难的。”吴教授说，“年轻的中子星都是强磁星，具有很强的偶极磁场。磁极冠区会源源不断地产生高能电子，高能电子在极强的磁场中只能沿着开放磁力线向外运动并产生辐射。所以，在两个磁极冠区分别形成圆锥形的辐射区，就像海上的灯塔一样，发出两束强大的射电波。它的自转，使得这两个辐射锥绕自转轴旋转，中子星的辐射束每扫过地球一次，我们的射电望远镜便接收到一个很窄的脉冲信号。这就是中子星被称为脉冲星的原因。 “而只有两个脉冲星的辐射束都能扫过地球的情况下，我们才能发现双脉冲星系统。但是，脉冲星的辐射束很窄，两颗星的辐射束都能扫过地球的机会不多。所以发现双脉冲星系统极其困难。” 吴教授说，这次的发现是由多个国家合作，使用澳大利亚Parkes的64米口径射电望远镜，每天不停的在无边宇宙中搜索。 双脉冲星系统极罕见 吴鑫基教授说，“从演化的角度来说，产生双星，即双中子星系统的几率比较小，双脉冲星系统更少。要形成双中子星系统，两颗恒星的质量都要求比较大。并且，第二颗恒星演化到超新星爆发时，往往在产生第二颗中子星的同时使这个双星系统瓦解，只有少数能够形成双中子星系统。这次发现的双脉冲星系统不但没有瓦解，还是由一个毫秒脉冲星（A星-周期22毫秒）和一个正常脉冲星（B星-周期2.27秒）组成，A星年龄老、转速快、磁场弱；B星年轻，转速慢、磁场强。正好与毫秒脉冲星产生的理论模型符合。” 新星十年鹊桥一“相会” 据了解，中子星并合事件会产生非常强烈的引力波，有可能被地球上最灵敏的引力波探测器发现。物理学家期待有一天能接收到来自宇宙空间两个中子星并合事件发出的引力波。新发现的双脉冲星系统的轨道周期比PSR1913＋16要短3倍多，将在更短的时间发生并合。 “按1974年发现的PSR1913＋16情况计算，要100年才有可能发生一次双中子星并合事件，而按新发现的双脉冲星系统情况计算，大约十年就可以发生一次并合事件。科学家等待发生中子星并合事件发生，更有盼头。” 吴教授说，这对双星的轨道周期仅为2.4小时，轨道比较圆，椭率为0.088,平均速度达到0.1%光速，A星质量为1.337太阳质量，伴星质量为1.251太阳质量。两个脉冲星彼此距离比PSR1913＋16更近，引力辐射更强，一年就可以观测到轨道明显的变化。 引力波探测研究有盼头 “在地球上，物理学家设计了好多种专门仪器，希望能接收到来自宇宙空间的引力波。半个多世纪过去了，一直没有成功。”吴教授说。 1974年射电脉冲双星的发现曾为引力波的探测带来希望。 美国的赫尔斯和泰勒教授发现的这个双星是由两个中子星组成，它的轨道周期很短，仅7.75小时。轨道是椭圆的，椭率很大，达到0.617。这导致其轨道速度最高时可达到十分之一光速。两个中子星很近，有很强的引力辐射。引力辐射可以导致两颗中子星越来越靠近，轨道周期越来越短。广义相对论理论已经把轨道周期的变化率精确的计算出来。要检测引力波的存在，最重要的是通过观测精确的测量出射电脉冲双星轨道周期的变化。泰勒等人利用世界上最大的射电望远镜进行了上千次的观测，为人类证实引力波存在提供了证据。 为此，赫尔斯和泰勒获得1993年的诺贝尔物理学奖。 “而对新发现的双脉冲星系统观测将为爱因斯坦的广义相对论和引力波理论提供迄今最严格的检验。”吴教授说。 开辟三大研究新课题 吴教授介绍，除了进一步验证爱因斯坦引力波理论这个重大课题外，这次发现还有很新颖的研究课题。 第一个问题是，两颗脉冲星之间的相互作用。观测发现，在一个轨道周期的2.4小时中，B星仅仅在暂短的两个10分钟中才能被观测到，科学家猜想这是因为A星发出的“星风”对B星有影响，但是，为什么有如此大的影响？究竟是怎样影响的？还不清楚。 第二个问题是，两颗脉冲星的辐射都有可能通过其相伴的脉冲星的磁层，特别是B星的磁层比A星的磁层大100倍，更容易探测，探测结果将会怎样？非常吸引人。 第三点是，A星和B星的轨道进动都非常大，分别为每年75度和71度。轨道的进动将会导致我们观测到的脉冲轮廓形状发生变化，这将又是一个非常有吸引力的观测课题，这两颗脉冲星的脉冲轮廓形状会不会变？怎么变？我们将翘首以待。 ■新闻缘起 去年年末《科学》杂志评出了科学十大突破，天文学家发现了一对中子星的轨道相互交错，并且发出辐射光线。这两颗中子星都是脉冲星。对这组旋转天体的深入研究将能为爱因斯坦的引力波理论提供最为严格的实验。天文学家希望通过对辐射光线的研究，能获知一颗中子星内部物质的密度大小。 ■链接 中子星的形成 在大质量恒星衰老后，恒星向外的辐射压不能与向内的引力抗衡，它的外壳就会向外膨胀，它的核却向内收缩。核在巨大的压力和由此产生的高温下发生一系列复杂的物理变化，电子被压缩到原子核中，同质子中和为中子，使原子变得仅由中子组成。这时恒星的外壳将以一次极为壮观的爆炸来了结自己的生命。 也就是天文学中著名的“超新星爆发”。最终剩下核，成为了中子星。正是这样的演化过程，中子星才被称为“死亡之星”。 ■核心提示 爱因斯坦1916年在他的广义相对论中预言：宇宙空间中可能有引力波存在。即，任何具有质量的物体作加速运动时都会产生引力波。引力波会对有质量的物体产生影响。
作者：实习生王娟 文章来源：科技日报（2005.01.21） |
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