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对于双脉冲星系统,情况更复杂:两颗脉冲星都在旋转,都在发射脉冲。
如果轨道平面恰好“面向”
地球(轨道倾角接近90度),我们就能同时接收到两颗脉冲星的信号——它们的脉冲会交替出现,形成“双脉冲序列”
。
但要识别这种现象,需要计时精度达到微秒级(1微秒=10??秒),甚至纳秒级(10??秒),因为两颗脉冲星的周期差异很小(比如psrj0737-3039的两颗脉冲星周期分别为1337秒和28秒)。
2从“残差异常”
到“双脉冲星确认”
2003年4月,帕克斯望远镜的脉冲星巡天项目组正在分析船尾座天区的数据。
研究员安德鲁·莱恩(andrewlyne)和迈克尔·克莱顿(ichaelkrar)注意到,一颗编号为“j0737-3039”
的脉冲星,其计时残差出现了周期性的“双峰”
结构——每隔约16天,残差会突然偏移,然后再回到原位。
更奇怪的是,这种偏移的幅度在逐渐变化,仿佛有另一颗天体在“调制”
脉冲星的轨道。
,!
为了验证猜想,团队调整了观测策略:增加对j0737-3039的观测频率(从每周一次改为每天一次),并使用更高带宽的接收机提高计时精度。
几周后,他们终于捕捉到了第二颗脉冲星的信号——一颗周期为28秒的脉冲星,其脉冲到达时间与j0737-3039的轨道周期严格同步。
进一步的分析证实了这是一个双脉冲星系统:主脉冲星(命名为a星):自转周期1337秒,脉冲宽度约10毫秒,色散量(d,反映星际介质电子密度)为168pc3;伴脉冲星(命名为b星):自转周期28秒,脉冲宽度约20毫秒,d与a星一致(说明两者在同一星际介质环境中);轨道周期:仅24小时(8640秒),是已知双中子星系统中最短的;轨道偏心率:0088(接近圆形轨道);轨道倾角:约90度(几乎正面朝向地球)。
这一发现立即引发了轰动。
2003年11月,《自然》杂志以封面文章发表了莱恩和克莱顿的研究,标题直截了当:《adoublepulsarsyste:arareboratoryforretivisticgravity》(《双脉冲星系统:相对论引力的稀有实验室》)。
二、系统解剖:两颗中子星的“亲密舞蹈”
psrj0737-3039的核心魅力,在于它提供了两个可独立观测的“宇宙时钟”
。
通过分析两颗脉冲星的计时数据,天文学家能精确测量系统的每一个参数,甚至“触摸”
到广义相对论的强场效应。
1基本参数:紧凑到极致的“死亡双星”
双脉冲星的基本属性,比任何理论模型都更接近“极端”
:质量:a星质量约1337倍太阳质量(☉),b星约1250☉——两者都接近中子星的质量上限(约2☉,由奥本海默-沃尔科夫极限决定);轨道半长轴:仅约19x10?公里(约为地球到太阳距离的13);轨道速度:两颗中子星绕质心旋转的速度高达约300公里秒——相当于每秒钟绕地球赤道跑75圈;自旋-轨道耦合:a星的自转轴与轨道平面法线的夹角仅约4度,b星约14度——这种“近极化”
自旋,让测地线进动(见下文)的效应更显着。
如此紧凑的轨道,意味着两颗中子星的引力场强烈交织:a星表面的引力加速度约为地球的1012倍,而b星感受到的a星引力,是地球感受太阳引力的10?倍——这正是检验广义相对论“强场预言”
的理想环境。
2掩食现象:中子星的“大小尺子”
由于轨道倾角接近90度,两颗中子星会周期性地“掩食”
对方的脉冲信号:当b星运行到a星与地球之间时,a星的脉冲会被b星遮挡(“主掩食”
);当a星运行到b星与地球之间时,b星的脉冲会被a星遮挡(“次掩食”
)。
掩食的持续时间,直接反映了中子星的大小和形状。
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