內(nèi)容簡介：文章關(guān)注了一個(gè)由一顆脈沖星和一顆白矮星組成的雙星系統(tǒng)。解釋了該系統(tǒng)形成的過程，脈沖星的脈沖周期和系統(tǒng)的運(yùn)行周期。經(jīng)過數(shù)十年的觀察，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了系統(tǒng)軌道方向的變化，并將之與廣義相對論聯(lián)系起來。

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在觀察了一個(gè)由兩顆死星組成的雙星系統(tǒng)20年之后，天文學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了廣義相對論另一個(gè)結(jié)果：框架拖動。在廣義相對論中，一個(gè)快速旋轉(zhuǎn)的大質(zhì)量物體確實(shí)拖動了它周圍的時(shí)空結(jié)構(gòu)，就像一根線纏繞著一個(gè)紡錘。

這個(gè)發(fā)現(xiàn)的背后的每一個(gè)科學(xué)原理都是有趣、驚人的。讓我們來一探究竟吧！

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這個(gè)雙星系統(tǒng)由一顆脈沖星(稱為PSR J1141-6545)和一顆白矮星組成，它們以彼此為中心旋轉(zhuǎn)著。白矮星是類似太陽的恒星在死亡后剩下的核心部分，也就是死亡的恒星褪去外層，剩下的熾熱而稠密的內(nèi)核:一般情況下，它們與地球大小差不多，但質(zhì)量卻有一顆恒星那么大。

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脈沖星與白矮星的產(chǎn)生原理是類似的，但它產(chǎn)生的過程更為猛烈。它是一顆大得多的恒星爆炸形成的超新星的殘余核心。當(dāng)爆炸發(fā)生時(shí)，能量劇烈地向外噴射，核心坍縮成為一個(gè)直徑約20公里的中子球，其質(zhì)量甚至超過一顆白矮星，我們稱這樣的物體為中子星。它們有時(shí)會從兩極發(fā)出輻射束，當(dāng)它們旋轉(zhuǎn)時(shí)，這些輻射束會像燈塔發(fā)出的光一樣橫掃太空。從地球上看，當(dāng)光束從我們頭頂經(jīng)過時(shí)，就是一個(gè)光點(diǎn)，因此有了脈沖星這個(gè)術(shù)語。

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一顆白矮星體積如此之小，質(zhì)量卻如此之大，其密度是地球的幾十萬倍，約為每毫升一百萬克，水的密度的一百萬倍。另一方面，中子星質(zhì)量更大，體積更小，所以它的密度更驚人:是水的100萬億倍。一立方厘米中子星物質(zhì)的重量相當(dāng)于美國所有汽車的重量總和。

奇怪的是，觀測結(jié)果表明白矮星在雙星系統(tǒng)中最先形成。通常，質(zhì)量越大的恒星越先爆炸，所以通常中子星年紀(jì)較大。但是這個(gè)系統(tǒng)很奇怪，開始時(shí)，兩顆普通的恒星以彼此為中心旋轉(zhuǎn)，其中一顆比另一顆稍微大一些。兩者的質(zhì)量都剛好低于超新星爆炸(約為太陽質(zhì)量的8倍)產(chǎn)生中子星所需的質(zhì)量上限。后來，更大的那顆首先死亡，變成了一顆紅巨星，它的外層脫落，最終成為白矮星。但當(dāng)它膨脹時(shí)，它向另一顆恒星噴射了很多物質(zhì)，導(dǎo)致第二顆恒星變得更大，足以爆炸并產(chǎn)生中子星!于是發(fā)生了和一般情況相悖的奇怪系統(tǒng)。

澳大利亞帕克斯射電望遠(yuǎn)鏡觀察脈沖星(紫色的小球體發(fā)射能量束)與白矮星(藍(lán)色的大球體)在雙星軌道上的圖像。當(dāng)白矮星旋轉(zhuǎn)時(shí)，它會拖拽時(shí)空，改變脈沖星光束到達(dá)地球的時(shí)間。資料來源:馬克·邁爾斯，OzGrav ARC卓越中心

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最終，我們看到了如今巨大的雙星系統(tǒng)，一個(gè)中子星脈沖星和一個(gè)白矮星。脈沖星的旋轉(zhuǎn)速度約為每秒2.5次，對于這樣一個(gè)龐然大物來說，這是比較慢的。但是白矮星在不到三分鐘的時(shí)間內(nèi)旋轉(zhuǎn)，這對白矮星來說是非?？斓??？赡馨l(fā)生的情況是，第二顆恒星在爆炸前，膨脹成一顆紅色的超級巨星，并向白矮星傾倒物質(zhì)。這些物質(zhì)落在白矮星上，使它旋轉(zhuǎn)起來，使它具有目前的快速自轉(zhuǎn)速度(這就是他們?nèi)绾沃腊装鞘紫刃纬傻?如果中子星是先形成的，那么另一顆恒星就會向它傾倒物質(zhì)，使它旋轉(zhuǎn)起來。中子星旋轉(zhuǎn)緩慢，所以不可能是這樣)。

脈沖星是非常精確的時(shí)鐘。我們觀察到的這些脈沖與它的旋轉(zhuǎn)有關(guān)，它的旋轉(zhuǎn)是非常穩(wěn)定的。這些脈沖以相同的周期到達(dá)，精確到納秒。

納秒！

中子星體積小，密度大，你可以這樣理解——把太陽的質(zhì)量壓縮成一個(gè)直徑只有幾公里的球。這幅藝術(shù)作品描繪了一個(gè)與曼哈頓相比較的地方。來源:美國宇航局戈達(dá)德太空飛行中心

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然而，那些我們以為已知的規(guī)律會改變。天文學(xué)家觀察了這個(gè)系統(tǒng)20年，發(fā)現(xiàn)了脈沖周期的變化。脈沖星會隨著時(shí)間的推移會減慢自旋(稱為自旋下降)，一個(gè)非常小的擾動。但是，脈沖的小變化也意味著其他的東西也在變化。因?yàn)檫@兩顆死星互相圍繞對方運(yùn)行，所以脈沖星有時(shí)在軌道上向地球移動，有時(shí)則遠(yuǎn)離地球。這將脈沖在軌道的一半向上排列，并在另一半向下排列，從而改變脈沖到達(dá)地球的時(shí)間。因?yàn)橄到y(tǒng)的軌道周期十分精確(在本例中，為0.1976509615天，或4.743623076小時(shí))，所以這是可以測量的。同時(shí)，我們也可以發(fā)現(xiàn)軌道的其他方面的變化。

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經(jīng)過幾十年的觀察，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)軌道的方向在改變。它搖晃著，就像桌面與桌面的摩擦減緩了陀螺的擺動。這種運(yùn)動被稱為旋進(jìn)，可能由以下幾個(gè)因素引起：一是這兩顆恒星并不完全是球形的。因?yàn)樗鼈冃D(zhuǎn)得很快，它們在赤道處由于離心力而膨脹。這兩顆恒星的平衡器沒有對齊，所以每顆恒星的凸起物都會牽拉另一顆恒星，產(chǎn)生扭矩。這叫做牛頓四極自旋軌道耦合。這只是一個(gè)正常的非球面天體相互環(huán)繞的效應(yīng);這也發(fā)生在地球和月球系統(tǒng)，其結(jié)果是導(dǎo)致地球的白天逐漸變長。

脈沖星繞白矮星運(yùn)行時(shí)發(fā)出的能量束;時(shí)空的扭曲被描述為圍繞它們的假想網(wǎng)格的變化。

脈沖星不是成比例的;白矮星要大上百倍。ESO / L。Calcada

這就是有趣的相對論效應(yīng)!被稱為“蘭斯-瑟林效應(yīng)”，以兩位物理學(xué)家的名字命名，紀(jì)念他們首次發(fā)現(xiàn)這是廣義相對論的結(jié)果。

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我以前寫過這種效應(yīng)，當(dāng)它在黑洞周圍被探測到的時(shí)候:

黑洞以其強(qiáng)烈的引力而聞名，這種引力可以對其周圍的物質(zhì)施加巨大的力。但事實(shí)證明，任何有重力的東西都會扭曲時(shí)空——這就是重力，是時(shí)空結(jié)構(gòu)中的一個(gè)凹痕——如果這個(gè)物體也在旋轉(zhuǎn)，它就會拖拽時(shí)空，把它包裹起來。這是廣義相對論的另一個(gè)怪異結(jié)果。

如果你把一個(gè)球放在蜂蜜里，然后旋轉(zhuǎn)它。由于摩擦，蜂蜜上會呈現(xiàn)被拖來拖去的漣漪。離球近的物體比離球遠(yuǎn)的物體移動得快。同樣的事情也會發(fā)生在空間中旋轉(zhuǎn)的物體上;離物體最近的空間將隨著旋轉(zhuǎn)一起被拖拽。這被稱為鏡頭焦距效應(yīng)，或者更通俗地說—幀拖拽。

科學(xué)家在地球周圍已經(jīng)測量過這種效應(yīng)，它取決于物體的質(zhì)量和旋轉(zhuǎn)速度，而在死星的情況下，這兩個(gè)數(shù)值都要高得多。在這個(gè)雙星系統(tǒng)中，白矮星的阻力大約是地球的一億倍！這就是改變兩顆恒星軌道方向的原因，也就是脈沖的時(shí)間。雖然，科學(xué)家以前就在其他天體物理源中發(fā)現(xiàn)過類似現(xiàn)象，但從未以這種方式觀測到。可以想象這是多么奇妙。

脈沖星/白矮星的觀測是很辛苦的。首先，科學(xué)家們必須持續(xù)觀察雙星系統(tǒng)數(shù)十年，然后計(jì)算出這兩顆恒星的大量特征，同時(shí)還要排除許多其他可能干擾計(jì)算的因素。艱苦科研之后的結(jié)果是——他們發(fā)現(xiàn)了一個(gè)微妙的變化。它表明巨大的力量在非常微妙地發(fā)揮作用，這些力量可以改變宇宙中兩個(gè)重量級天體在幾十年時(shí)間里相互作用的方式，所有這些都?xì)w結(jié)——空間可以扭曲和漣漪。

作者: Phil Plait

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