科學家發現神奇的異類雙星系統

內容簡介：文章關注了一個由一顆脈衝星和一顆白矮星組成的雙星系統。解釋了該系統形成的過程，脈衝星的脈衝周期和系統的運行周期。經過數十年的觀察，科學家們發現了系統軌道方向的變化，並將之與廣義相對論聯繫起來。

在觀察了一個由兩顆死星組成的雙星系統20年之後，天文學家們發現了廣義相對論另一個結果：框架拖動。在廣義相對論中，一個快速旋轉的大質量物體確實拖動了它周圍的時空結構，就像一根線纏繞著一個紡錘。

這個發現的背後的每一個科學原理都是有趣、驚人的。讓我們來一探究竟吧！

這個雙星系統由一顆脈衝星(稱為PSR J1141-6545)和一顆白矮星組成，它們以彼此為中心旋轉著。白矮星是類似太陽的恆星在死亡後剩下的核心部分，也就是死亡的恆星褪去外層，剩下的熾熱而稠密的內核:一般情況下，它們與地球大小差不多，但質量卻有一顆恆星那麼大。

脈衝星與白矮星的產生原理是類似的，但它產生的過程更為猛烈。它是一顆大得多的恆星爆炸形成的超新星的殘餘核心。當爆炸發生時，能量劇烈地向外噴射，核心坍縮成為一個直徑約20公裡的中子球，其質量甚至超過一顆白矮星，我們稱這樣的物體為中子星。它們有時會從兩極發出輻射束，當它們旋轉時，這些輻射束會像燈塔發出的光一樣橫掃太空。從地球上看，當光束從我們頭頂經過時，就是一個光點，因此有了脈衝星這個術語。

一顆白矮星體積如此之小，質量卻如此之大，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。一立方釐米中子星物質的重量相當於美國所有汽車的重量總和。

奇怪的是，觀測結果表明白矮星在雙星系統中最先形成。通常，質量越大的恆星越先爆炸，所以通常中子星年紀較大。但是這個系統很奇怪，開始時，兩顆普通的恆星以彼此為中心旋轉，其中一顆比另一顆稍微大一些。兩者的質量都剛好低於超新星爆炸(約為太陽質量的8倍)產生中子星所需的質量上限。後來，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。但當它膨脹時，它向另一顆恆星噴射了很多物質，導致第二顆恆星變得更大，足以爆炸並產生中子星!於是發生了和一般情況相悖的奇怪系統。

澳大利亞帕克斯射電望遠鏡觀察脈衝星(紫色的小球體發射能量束)與白矮星(藍色的大球體)在雙星軌道上的圖像。當白矮星旋轉時，它會拖拽時空，改變脈衝星光束到達地球的時間。資料來源:馬克·邁爾斯，OzGrav ARC卓越中心

最終，我們看到了如今巨大的雙星系統，一個中子星脈衝星和一個白矮星。脈衝星的旋轉速度約為每秒2.5次，對於這樣一個龐然大物來說，這是比較慢的。但是白矮星在不到三分鐘的時間內旋轉，這對白矮星來說是非常快的。可能發生的情況是，第二顆恆星在爆炸前，膨脹成一顆紅色的超級巨星，並向白矮星傾倒物質。這些物質落在白矮星上，使它旋轉起來，使它具有目前的快速自轉速度(這就是他們如何知道白矮星首先形成的;如果中子星是先形成的，那麼另一顆恆星就會向它傾倒物質，使它旋轉起來。中子星旋轉緩慢，所以不可能是這樣)。

脈衝星是非常精確的時鐘。我們觀察到的這些脈衝與它的旋轉有關，它的旋轉是非常穩定的。這些脈衝以相同的周期到達，精確到納秒。

納秒！

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

然而，那些我們以為已知的規律會改變。天文學家觀察了這個系統20年，發現了脈衝周期的變化。脈衝星會隨著時間的推移會減慢自旋(稱為自旋下降)，一個非常小的擾動。但是，脈衝的小變化也意味著其他的東西也在變化。因為這兩顆死星互相圍繞對方運行，所以脈衝星有時在軌道上向地球移動，有時則遠離地球。這將脈衝在軌道的一半向上排列，並在另一半向下排列，從而改變脈衝到達地球的時間。因為系統的軌道周期十分精確(在本例中，為0.1976509615天，或4.743623076小時)，所以這是可以測量的。同時，我們也可以發現軌道的其他方面的變化。

經過幾十年的觀察，科學家發現軌道的方向在改變。它搖晃著，就像桌面與桌面的摩擦減緩了陀螺的擺動。這種運動被稱為旋進，可能由以下幾個因素引起：一是這兩顆恆星並不完全是球形的。因為它們旋轉得很快，它們在赤道處由於離心力而膨脹。這兩顆恆星的平衡器沒有對齊，所以每顆恆星的凸起物都會牽拉另一顆恆星，產生扭矩。這叫做牛頓四極自旋軌道耦合。這只是一個正常的非球面天體相互環繞的效應;這也發生在地球和月球系統，其結果是導致地球的白天逐漸變長。

脈衝星繞白矮星運行時發出的能量束;時空的扭曲被描述為圍繞它們的假想網格的變化。

脈衝星不是成比例的;白矮星要大上百倍。ESO / L。Calcada

這就是有趣的相對論效應!被稱為「蘭斯-瑟林效應」，以兩位物理學家的名字命名，紀念他們首次發現這是廣義相對論的結果。

我以前寫過這種效應，當它在黑洞周圍被探測到的時候:

黑洞以其強烈的引力而聞名，這種引力可以對其周圍的物質施加巨大的力。但事實證明，任何有重力的東西都會扭曲時空——這就是重力，是時空結構中的一個凹痕——如果這個物體也在旋轉，它就會拖拽時空，把它包裹起來。這是廣義相對論的另一個怪異結果。

如果你把一個球放在蜂蜜裡，然後旋轉它。由於摩擦，蜂蜜上會呈現被拖來拖去的漣漪。離球近的物體比離球遠的物體移動得快。同樣的事情也會發生在空間中旋轉的物體上;離物體最近的空間將隨著旋轉一起被拖拽。這被稱為鏡頭焦距效應，或者更通俗地說—幀拖拽。

科學家在地球周圍已經測量過這種效應，它取決於物體的質量和旋轉速度，而在死星的情況下，這兩個數值都要高得多。在這個雙星系統中，白矮星的阻力大約是地球的一億倍！這就是改變兩顆恆星軌道方向的原因，也就是脈衝的時間。雖然，科學家以前就在其他天體物理源中發現過類似現象，但從未以這種方式觀測到。可以想像這是多麼奇妙。

脈衝星/白矮星的觀測是很辛苦的。首先，科學家們必須持續觀察雙星系統數十年，然後計算出這兩顆恆星的大量特徵，同時還要排除許多其他可能干擾計算的因素。艱苦科研之後的結果是——他們發現了一個微妙的變化。它表明巨大的力量在非常微妙地發揮作用，這些力量可以改變宇宙中兩個重量級天體在幾十年時間裡相互作用的方式，所有這些都歸結——空間可以扭曲和漣漪。

作者: Phil Plait

FY:

如有相關內容侵權，請於三十日以內聯繫作者刪除

轉載還請取得授權，並注意保持完整性和註明出處