专题
首页  >  专题  >  媒体视点  >  名刊精选  >  《科学24小时》

《科学24小时》

开博时间:2016-07-01 14:43:00

旨在向全国广大群众,特别是具有中等文化程度的广大青年,普及科学技术知识,繁荣科普创作,启迪思想,...

文章数

双脉冲星:最好的相对论实验室

2013-01-31 00:14:43

2004 年,被称为“科学奥斯卡”的《科学》杂志发布了“年度最重大的十大科学突破”,本文主角———双脉冲星赫然在列……

20511

                                                                            北辰

双脉冲星现身

1967 7 月,女博士研究生乔斯琳·贝尔在使用射电望远镜观察太空的时候,发现天空中出现奇怪的脉冲信号。最后证明,这是一种新型的还不被人们认识的天体,它就是脉冲星。

脉冲星是老年的恒星经过一次超新星爆发之后的产物,它爆发之后就只剩下一个核心,也就是中子星。中子星密度极高,质量不小,它们有很强的磁场,磁场从两个磁极发射出来,向太空中喷射出锥形的能量波。由于它们疯狂地高速自转,所以从磁极喷射出来的能量就像是旋转的灯塔那样,一圈又一圈地横扫过深邃的星空。如果地球上的人们正好处在被它扫射的范围内,就能捕捉到它的脉冲信号,我们称呼此类星体为脉冲星。

自乔斯琳·贝尔发现第一颗脉冲星以来,科学家发现的脉冲星已经超过1000 颗。但是在2004 年,天文学家发现了双脉冲星。听到双脉冲星这个名字,有些人会不以为然,早在1973 年,科学家就已经发现了双脉冲星,它们被称为PSR1913+16

其实错了,请注意,以前发现的所谓双脉冲星并不是真正的双脉冲星,它们是一颗脉冲星和一颗中子星的组合,就像是一个人跟一个黑猩猩在一起。而此次出现的这对双脉冲星是实实在在的同类,两颗实实在在的脉冲星在一起。

这对货真价实的双脉冲星编号是PSRJ0737-3039A/BPSR 三个字母告诉人们是脉冲星,后面的两组数字告诉人们它俩在天空的坐标,也就是赤纬度和赤经。最后的A/B 告诉人们这是双星,一个是A,另一个是B。论质量,它们俩相差无几,A 的质量是1.337 个太阳质量,B 的质量为1.251 个太阳质量。但说到自转周期,A B 却有着很大的差距。A 的自转周期是0.022 秒,而B 的自转周期是2.7 秒。它们就像是一对灯塔,横扫过深邃的宇宙,向宇宙宣布它们之间亲密的关系。

20512

>>双脉冲星PSRJ0737-3039A/B

 

这一对脉冲星的发现,有着戏剧化的历史。2003 4 月,B 首先被发现,它的脉冲周期是22 毫秒,从周期上来看,它似乎是一个很普通的脉冲星,但是它的脉冲周期会发生变化。一般来说,脉冲星的周期都很准,在几十年内都可以当作是最准确的时钟。它的周期变化表明,可能还有另一个伴星在它的身边,而且这颗伴星很可能是一颗中子星,就像是以前发现的PSR1913+16 那样,是脉冲双星。如果这样的解释成立,那就是一个很完美的结果,它很符合天体演化的规律。于是这一结果出现在2003 年的学术刊物上。但是,事实却不是这样。

新的发现引来了更多的观测者,美国的绿岸和澳大利亚的帕克斯射电望远镜都投入到对它的观测中。一个月之后,新的结果出来了:它确实有一颗伴星,但是这颗伴星不是一般的中子星,而是一颗也能发出脉冲信号的中子星,也就是脉冲星。从此,天文发现史上的第一对真正的双脉冲星出现了。

幸运和不幸运的天文学家

既然是双星,那么它们就肩并肩地站在一起,在一个平面上相互做环绕运动。地球上的天文学家很幸运,也处在这个平面上,可以看到双脉冲星互相

绕转的过程。但是,地球上的天文学家也是不幸的。2009 年,科学家发现,B的信号失踪了,再也接收不到B 的电磁脉冲信号了。原来,这是因为进动造成的结果。

把一个陀螺放在光滑的冰面上,用鞭子抽它,陀螺就转动起来。陀螺的自转轴不停地指向天空中不同的方向,看起来,陀螺就像一个不倒翁那样摇摇晃晃,这就是进动。

当发生进动的时候,B 那本来对准地球的电磁波束也就偏离了方向,不再指向地球。于是,B 的信号就不能被地球科学家观测到了。

但是此刻,如果在宇宙另一个方向的某一个地方,恰好也有一些天文学家在研究这个双脉冲星系统,那么就会出现跟地球上科学家一样的戏剧性结果。他们本来只知道有一颗脉冲星,但是此刻,另一颗脉冲星的信号也扫了过来,于是,他们就发现了两颗在一起的脉冲星。

B 的信号消失了,但这仅仅是暂时的。当双脉冲星完成一个进动周期的时候,B 的信号还会再次出现,双脉冲星的进动周期非常快,只有21.3 年。至于B 的波束到底什么时候才能再一次扫过地球,地球科学家依据仅仅观测七年的资料,还是无法作出精确的预测。

恒星中的梁山伯与祝英台

PSRJ0737-3039A/B 的出现大大出乎人们的意料,因为这不符合正常的天体演化规律。它们的前世并不是脉冲星,而是恒星,经过了两次大灾难,才能出现这一对脉冲星。而一次大灾难,足以毁掉另一个,两次大灾难,它们却都能保留在原地,这实在是一种奇迹。

一般说来,脉冲星的前世就是一颗较大的恒星,但是这颗恒星已经老迈。像太阳那样的恒星是个富翁,有着无穷的氢元素,足够一直不停地燃烧下去,但这样的恒星就好像穷光蛋,已经把氢元素都消耗光了。要想继续生存下去,只能来一次决定性的革命,那就是一次猛烈的喷发。

首先,质量较大的A 顺利地完成了这样一次大爆发,把外层物质抛射出去,就只留下一个核心。这个核心异常的致密,一个手指头大小的一块,也会

达到上亿吨的重量。A 半径只有十几千米,其总质量却跟太阳差不多。A 从此有了一个新的名字———中子星。中子星的密度极大,磁场也极其强烈,如果能向外界发射出电磁波束,那么它就是脉冲星。A 就是这样能发射脉冲信号的脉冲星,它顺利地完成了从老年恒星向脉冲星的转化。

但是,在A 发生大爆发的时候,那猛烈的气浪足以把周围的一切都推开,但B 居然没有被推开,这让天文学家十分困惑,他们不明白在A 爆发的时候为什么没能把B 驱赶走。

接下来,质量较小的B 也要完成这个脱胎换骨的转化,它们的转变方式是一样的。首先,B 会膨胀成为一颗红巨星,体积非常巨大。这对它来说是个危险的事情,危险的原因是因为高密度A 的存在,B 那膨胀的物质很容易被A 掠夺。它首先被A 吸收成为一个吸积盘,然后源源不断地被A 吞噬。

但是,B 也顺利地完成了爆发过程,也成为一颗脉冲星。它当初是否被A 抢掠了一些物质?现在科学家没法回答。它在爆发的时候,为什么没有把A 推开,而让A 继续待在身边?科学家也无法回答。种种迹象显示,B 的爆发相当温和。它们在转化的过程中,双双包容对方的存在,这是一个奇迹,也是一个很偶然的现象。

A B 就像破茧成蝶一般,经过了一般恒星的老龄阶段,各自再经过大爆发,顺利地双双演化成脉冲星。它们前世是双星,今生依然是双星,就像是梁山伯与祝英台。

最好的相对论实验室

PSRJ0737-3039A/B 这对货真价实的双脉冲星的出现,让科学家们很是兴奋。爱因斯坦提出相对论之后,科学家一直找不到好的检验相对论的方法,为此费尽了脑筋,现在好了,这对双脉冲星就是验证爱因斯坦相对论最好的场所。

如果按相对论理论,它们的高密度会导致空间弯曲。当它们两个与地球都处于一条直线上的时候,假设此时B 在远处A 在近处,B 的脉冲信号要想到达地球,就要从A 的身边经过。但是,A 的强大引力会把周围的空间搞得弯曲了,那么B 就需要走过这段弯曲的路程才能到达地球。这种情况已经被科学家们观察到,额外的路程让信号迟到了100 微秒。这表明,在那里,空间确实变得弯曲了。

另一个验证也得到了满意的结果:这对双脉冲星还会导致时间变慢。通过一系列实验,可以得出结论,如果一个钟表在这里,与正常时间相比它会慢386 微秒。

双脉冲星基本上处于跟我们的视线水平的位置,分别在地球的左右两侧,当一个挡住另一个的时候,科学家们可以研究它们的很多特性。虽然它们侧向着我们,但还是有一点倾斜,它们自转的时候,可以让天文学家看到它的每一个侧面,就像是乘坐在飞船上围绕着它探测那样。

这对双脉冲星在物理学中还有很多其他的试验价值,科学家正在利用这个最好的实验室加紧试验。因为他们知道,这个最好的实验室最终必然会遭到破坏,破坏者其实就是这对双脉冲星自己,这个系统总有一天将会崩溃。

它们相互环绕一圈的时间是145 分钟,两者之间的距离也近得很,只有90 万千米,仅仅比地球与月球的距离大两倍,这么近的距离是很危险的:由于它们是高密度的天体,引力都很大,其结果只能是一步步地向对方靠近。现在它们每天向对方靠近7.42 毫米。照这样下去,8500 万年之后,这对双星将会相撞。

那是一个猛烈的过程,也是它们的死亡之期。哪怕是在湮灭的时刻,它们也没有忘记给科学家带来另一个试验———极其强大的引力波。

这个双脉冲星系统,实在是科学家梦寐以求的相对论实验室,它们是科学家的宝贝,科学家太爱它们了。

 



上一篇:“宇宙中最耀眼的脑袋”——天才数学家陶哲轩
下一篇:设个陷阱捉粒子
©2011-2017 版权所有:中国数字科技馆
未经书面许可任何人不得复制或镜像
京ICP备11000850号 京公网安备110105007388号
信息网络传播视听节目许可证0111611号
国家科技基础条件平台