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天文与引力 · 阅读路径
一口走时忽快忽慢的钟
1974 年七月，Russell Hulse 和 Joseph Taylor 在波多黎各阿雷西博天文台搜寻脉冲星。有个天体约每 59 毫秒闪一次，节拍却总在变：这次观测越来越快，下次又慢下来。变化每隔约 7.75 小时重复。射电脉冲来自其中一颗中子星，另一颗伴星藏在它的运动后面。两人在 1975 年一月发表了这一双星发现。几十年后，这口远方的钟让天文学家量出了轨道能量流失的速度。
脉冲星是一颗旋转的中子星，质量与恒星相当，直径却只有几十千米。有些中子星会向外发出射电波束；波束随星体转动，扫过地球时，望远镜就收到一次脉冲。它像灯塔一样持续旋转，我们只在光束朝向自己时看见一下。每秒十几次的节拍，一晚就能累积成许多次精密计时。
这口钟还绕着另一颗星运动。朝向地球时，相邻脉冲少走了一点路，收到的间隔便缩短；远离地球时，间隔拉长。救护车经过身边，警笛音调先高后低，也是这种多普勒效应。脉冲快慢反复出现，透露了藏在节拍后面的轨道。
来源：[1]
先用别的效应称出两颗星
这个系统后来称为 PSR B1913+16，轨道明显偏长。脉冲到达时刻既记下了路程变化，也记下了靠近伴星时那一段急转。先用描述行星运动的椭圆轨道，解释这些大幅变化。继续测量，还会看见更细小的变化：最近点的方向缓慢转动；脉冲星在轨道上快慢不同，所处引力也不同，钟本身的走速随之改变。
在广义相对论里，最近点转动与钟速变化，分别以不同方式依赖两颗星的质量。量出一种效应，得到一组可能质量；再量另一种，两组可能值交在一起，质量就定下来了。到这一步，尚未用轨道缩短来称重，后面才有机会检验它。Weisberg 和 Huang 在 2016 年的分析中，得到约 1.438 和 1.390 个太阳质量。
两颗星都很致密，彼此之间没有一层庞大的恒星外壳拖着轨道走。这个系统因而特别适合研究引力辐射：射电波束提供钟，轨道提供几何，相对论造成的小变化提供质量。
每次绕行都比预期早一点
广义相对论预言，两颗星绕行时会向外辐射引力波，带走轨道能量。能量减少后，轨道变小，绕一圈所需的时间也更短。对这个系统，理论预言每过一年，轨道周期约缩短 76 微秒。放在一次 7.75 小时的绕行里，这点差别微乎其微。下一圈却会提早开始，再下一圈又早一点；许多年积累下来，差别就能看清。
常见图里有条向下弯曲的线：假设周期始终不变，每一圈会在何时返回？实测轨道累计早到了多久？图线画的就是这个差值。望远镜在这里测量脉冲到达时刻，进而追踪轨道。Taylor、Weisberg 和同事把观测延续了几十年，弯曲逐渐清楚，轨道失去能量的速率也随之显现。
银河系的引力也会改动钟声
比较之前，还得算上我们与脉冲星在银河系中的运动。太阳系和那对双星受到的银河引力不同，两边相对加速，也会改动收到的周期。双星横穿视线的运动，还会随着观察方向改变，带来额外的表观周期变化。研究者用距离、天空中的移动速度和银河运动模型，估计这些运动学效应，再把轨道自身的缩短与理论比较。计时越准，距离和银河参数的误差越显眼，单靠多收几次脉冲已经解决不了。
2016 年，Weisberg 和 Huang 报告：扣除运动效应后，实测缩短速率除以相对论预言，结果为 0.9983，不确定度为 0.0016。Hulse 和 Taylor 早在 1993 年就因发现这种双星系统获得诺贝尔物理学奖。发现、后续团队的长期计时、再到地面直接收到引力波，接起了两种观察：先从轨道看见能量流失，随后接住向外传播的波。