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title: "脉冲星的钟声记下了轨道缩短"
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last_modified: "2026-10-24"
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[引力留下的痕迹](https://sandboxphysics.com/zh/stories/astronomy-gravity/#gravity)

天文 · 宇宙学 · 引力

# 脉冲星的钟声记下了轨道缩短

Sandbox Physics · 2026-10-24

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]

## 接着探索相关模型

选一个模型，亲手试试文章里的物理想法。

### [从运动称出双星质量](https://sandboxphysics.com/zh/labs/binary-star-mass/)

转动轨道倾角，比较天空轨迹与径向速度。

牛顿双星模型展示投影怎样影响轨道测质量。

### [沿着示意轨道走向中子星并合](https://sandboxphysics.com/zh/labs/binary-neutron-star-merger/)

改变两颗星的质量，比较瞬时波频与应变。

模型把预先给定的可视轨道与领先阶瞬时应变联系起来，动画时钟采用示意刻度。

## 来源与阅读说明

1. [Hulse & Taylor (1975), Discovery of a pulsar in a binary system](https://articles.adsabs.harvard.edu/pdf/1975ApJ...195L..51H)

   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](https://articles.adsabs.harvard.edu/pdf/1982ApJ...253..908T)

   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](https://arxiv.org/abs/astro-ph/0407149)

   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](https://arxiv.org/abs/1606.02744)

   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](https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1993/summary/)

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

[我们怎样读懂宇宙](https://sandboxphysics.com/zh/stories/astronomy-gravity/) [替银河系暗中心称重的恒星](https://sandboxphysics.com/zh/stories/astronomy-gravity/galactic-centre-stellar-orbits/) [同时抵达两座 LIGO 的短促啁啾](https://sandboxphysics.com/zh/stories/astronomy-gravity/ligo-gw150914/) [引力坍缩不需要一颗完美的球形恒星](https://sandboxphysics.com/zh/stories/astronomy-gravity/penrose-trapped-surfaces/) [从探测曲线读到黑洞质量](https://sandboxphysics.com/zh/stories/astronomy-gravity/reading-gravitational-wave-chirp/)