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Sandbox Physics
引力留下的痕迹

天文 · 宇宙学 · 引力

脉冲星的钟声记下了轨道缩短

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地面探测器收到引力波之前,射电脉冲怎样透露了引力辐射?

  1. 测量射电脉冲的到达时刻
  2. 拟合双星轨道
  3. 用相对论效应确定质量
  4. 把轨道缩短速率与辐射理论比较
射电望远镜测出了轨道怎样改变,引力辐射解释了轨道能量怎样流失。

一口走时忽快忽慢的钟

1974 年,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。两人找到了双星系统中的脉冲星。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。开普勒轨道给出第一幅图。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。

广义相对论把这些效应分别与两颗星的质量联系起来。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。

来源:[2][4]

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。

来源:[2][3]

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。研究者用脉冲星距离和银河运动模型估计这一项,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。

来源:[4][5]

来源与阅读说明

  1. Hulse & Taylor (1975), Discovery of a pulsar in a binary system

    原始发现论文:脉冲周期、重复的多普勒变化与双星轨道参数。

  2. Taylor & Weisberg (1982), A new test of general relativity

    比较相对论计时效应确定的质量,以及轨道周期变化的理论预言和测量。

  3. Weisberg & Taylor (2004), Relativistic Binary Pulsar B1913+16: Thirty Years of Observations and Analysis

    累计轨道提前量,以及银河加速度和距离误差的重要性。

  4. Weisberg & Huang (2016), Relativistic Measurements from Timing the Binary Pulsar PSR B1913+16

    1.438 与 1.390 个太阳质量,以及修正后的轨道衰减/预言比值 0.9983 ± 0.0016。

  5. The Nobel Prize in Physics 1993

    Hulse 与 Taylor 因发现开辟引力研究新机会的新型脉冲星获奖。

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