脈衝雙星

脈衝雙星指兩顆中子星，其中一顆是脈衝星，沿軌道相互繞對方運動而成的雙星系統。這個名詞也用來代表繞任一其他恆星。現在已知的脈衝雙星達到120個。但天文學家將名詞“該脈衝雙星”保留給第一個被發現的脈衝雙星，根據它在天體表中編號又稱為PSR 1913+16（PSR代表脈衝星）。這個脈衝雙星提供了對愛因斯坦廣義相對論迄今最精確的檢驗。

基本介紹

• 中文名：脈衝雙星
• 表達式：脈衝雙星PSR l913+16
• 提出者：羅素·胡爾斯、約瑟夫·泰勒
• 提出時間：1974年
• 套用學科：自然
• 適用領域範圍：天文

發現者

脈衝雙星PSR1913+16是1974年由麻薩諸塞大學的羅素·胡爾斯（Russell Hulse）和約瑟夫·泰勒（Joseph Taylor）使用放在波多黎各的阿雷西博射電望遠鏡發現的。胡爾斯當時是研究生，主持一項用該望遠鏡搜尋脈衝星計畫的日常工作。他的導師泰勒則是這一計畫的總負責人，1974年夏天定期從麻薩諸塞的阿默斯特飛往阿雷西博。他們在那個夏天做出的發現異常重要，並於1993年雙雙因脈衝雙星研究而獲諾貝爾獎。

發現過程

8月2日，儀器記錄到一個很微弱的信號，是該脈衝雙星存在的第一個跡象。如果信號再微弱哪怕4%，它就低於計算機搜尋程式的內置截止電平，而不會記錄下來。這個源特別有趣，因為它的周期非常短，僅0.059秒，是當時已知第二位最快的脈衝星。但一直要等到8月25日，胡爾斯才得以用阿雷西博望遠鏡更詳細地觀測這個天體。

8月25日後，胡爾斯連續幾天對該脈衝星做了一系列觀測，發現它的變化很特別。大多數脈衝星都是超級精確時鐘，打拍子的周期精確到小數點後6或7位；而這一個的周期似乎飄忽不定，逐日變化量多達30微秒（對脈衝星來說是極大的“誤差”）。到1974年9月初，胡爾斯明白了，這些變化本身也是周期性的，並可用脈衝星在嚴格軌道上繞一顆伴星運動引起的都卜勒效應來解釋。

泰勒飛到阿雷西博參與這項研究．他同胡爾斯一起求出脈衝星繞其伴星運動的軌道周期（脈衝星的“一年”）是7小時45分鐘，脈衝星運動的最高速率（根據都卜勒效應）300公里每秒，是光速的千分之一，而繞伴星飛馳的平均速率約為200公里每秒。以這一令人驚訝的速率在不到8小時內走完的軌道長度大約是600萬公里，大致是太陽的周長。換言之，脈衝星和伴星之間的平均距離大約等於太陽的半徑，所以整個雙星系統剛剛可以放在太陽的內部。

研究意義

所有脈衝星都是中子星；對這個天體來說，其軌道參數表明伴星也一定是箇中子星。廣義相對論的關鍵檢驗之一是水星的近日點進動，就是愛因斯坦理論而不是艾薩克·牛頓引力理論預言的軌道位移。這兩位研究家計算出，脈衝雙星PSR1913+16的這一效應（“近星點”位移）比水星的強100倍左右。而且，水星每年繞太陽僅僅運行四次，而這顆脈衝星繞伴星每年可運行1000次，它提供研究這個效應的機會多得多。測量及時完成，結果證明該脈衝雙星的近星點進動準確地與愛因斯坦理論預言一致——這是利用太陽系外天體對廣義相對論的首次直接檢驗。將近星點位移的測量結果與雙星系統的軌道數據結合，終於以空前的高精度定出系統中兩顆星的質量為太陽質量的2.8275倍。

但這還只是利用這顆脈衝雙星作為檢驗和套用愛因斯坦理論的實驗室的開始。持續幾個月的進一步觀測表明，只要扣除了軌道運動引起的變化，該脈衝星作為時鐘的精度極高。它那0.05903秒的周期在一年之內僅僅增加1/4毫微秒（十億分之一秒的四分之一）——相當於一百萬年僅僅慢4%的鐘。

隨著觀測數量的增加，有關數字也愈益精確：周期0.059029995271秒；增長速率0.253毫微秒每年；軌道周期27906.98163秒；近星點變化速率4.2263度每年。因為脈衝星的周期實際上在變化，上述高度精確的數字是對一個特定日期，或“曆元”而言的，這個曆元就是1974年9月1日。

台北時間2004年1月10日，英國約德利爾堤岸天文台主任安德魯-賴尼等在最新一期《科學》發表文章，報告已認識了一種由兩顆脈衝星組成的罕見的雙星組。通過這種獨特的脈衝雙星，可以檢測愛因斯坦的相對論，以及更好地認識脈衝星所產生的能量射線。倫敦格林威治皇家天文台羅勃特-馬瑟認為，這是一個極其重大的發現。儘管愛因斯坦預言了重力波的存在，但卻從未直接觀察到重力波。馬瑟說，能夠發射充足的重力波的來源並不多，脈衝雙星便是這種少數的充足重力波來源之一。

高的觀測精度很快就使相對論的更多檢驗和套用成為可能。其中一個檢驗涉及狹義相對論預言的時間膨脹。由於脈衝星繞伴星運動的速率達到光速的相當大部分，觀測表明脈衝星的“鐘”在變慢，變慢的程度與它的速率有關。由於沿軌道運行時速率在變（從最高速率300公里每秒到“僅僅”75公里每秒），這將表現為脈衝星周期在每個軌道周期中的規則變化。又由於脈衝星繞伴星運動的軌道是橢圓，它離第二顆中子星的距離在變。這表示它從引力場較強的區域運動到引力場較弱的區域，它的守時裝置就應該受到規則變化的引力場的影響。

這兩個效應結合使脈衝星周期在一個軌道周期內的最大變化為58毫微秒。這個變化量可引入軌道計算以決定兩顆星的質量比。由於近星點位移表明兩星總質量為2.8275個太陽質量，這個數值與兩星質量比一起，給出脈衝星本身的質量為太陽質量的1.42倍，其伴星的質量是太陽質量的1.4倍。這是中子星質量的第一次精確測量。

但是，研究PSR1913+16的最大勝利還在後頭。在宣布發現這顆脈衝星後，幾乎立刻就有幾位相對論專家指出，理論上該脈衝雙星應該因引力輻射而損失能量，在時空中產生漣漪。能量的損失將使脈衝星及其伴星彼此盤旋接近，從而導致軌道運動加快。

發現價值

檢驗價值

即使在脈衝雙星這樣極端的情況下，這個效應也是非常小的。它將引起軌道周期（約27000秒）每年僅減少一千萬分之幾秒（約0.0000003秒）。理論倒是直截了當，卻要求觀測必須達到空前的精度。1978年12月，也就是工作了4年之後，泰勒宣布測出了這一效應，而且它與愛因斯坦理論的預言完全相符。理論的準確預言是，軌道周期應該每年減少百萬分之75秒。到1983年，即該脈衝雙星發現9年後，泰勒及其同事測量這一變化的精度達到了每年百萬分之二秒，公布的觀測值為每年百萬分之76±2秒。此後，觀測進一步得到改進，與愛因斯坦理論達到高度一致，誤差小於1%。這是迄今對廣義相對論最轟動、最全面的檢驗，它實際上排除了任何其他理論作為宇宙行為可靠描述的可能性。檢驗的精度如此之高，與理論的一致如此之佳，使得廣義相對論和量子電動力學被並列為整個科學中基礎最穩固的兩門學科。

理論價值

原則上，脈衝雙星PSR1913+16以及其他類似系統，提供了比任何人造鐘，包括最準確的原子鐘，更加精確的時間測量手段。如果我們測量單個脈衝雙星的變化時只有原子鐘，我們將永遠無法證明這一切。但如果將至少三個脈衝雙星的信號與原子鐘的信號以及相互之間進行比較，就應該有可能創立一種利用（經過相互校準的）脈衝星守時的辦法，來改進原子鐘的守時。就像現在用銫原子行為而不用地球自轉定義秒的長度一樣，將來某一天用脈衝雙星來定義秒的長度並非不可能。