双星|科学家发现神奇的异类双星系统脉冲星|中子星|科

内容简介：文章关注了一个由一颗脉冲星和一颗白矮星组成的双星系统。解释了该系统形成的过程，脉冲星的脉冲周期和系统的运行周期。经过数十年的观察，科学家们发现了系统轨道方向的变化，并将之与广义相对论联系起来。

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在观察了一个由两颗死星组成的双星系统20年之后，天文学家们发现了广义相对论另一个结果：框架拖动。在广义相对论中，一个快速旋转的大质量物体确实拖动了它周围的时空结构，就像一根线缠绕着一个纺锤。
这个发现的背后的每一个科学原理都是有趣、惊人的。让我们来一探究竟吧！

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这个双星系统由一颗脉冲星(称为PSR J1141-6545)和一颗白矮星组成，它们以彼此为中心旋转着。白矮星是类似太阳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层，剩下的炽热而稠密的内核:一般情况下，它们与地球大小差不多，但质量却有一颗恒星那么大。

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脉冲星与白矮星的产生原理是类似的，但它产生的过程更为猛烈。它是一颗大得多的恒星爆炸形成的超新星的残余核心。当爆炸发生时，能量剧烈地向外喷射，核心坍缩成为一个直径约20公里的中子球，其质量甚至超过一颗白矮星，我们称这样的物体为中子星。它们有时会从两极发出辐射束，当它们旋转时，这些辐射束会像灯塔发出的光一样横扫太空。从地球上看，当光束从我们头顶经过时，就是一个光点，因此有了脉冲星这个术语。

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一颗白矮星体积如此之小，质量却如此之大，其密度是地球的几十万倍，约为每毫升一百万克，水的密度的一百万倍。另一方面，中子星质量更大，体积更小，所以它的密度更惊人:是水的100万亿倍。一立方厘米中子星物质的重量相当于美国所有汽车的重量总和。
奇怪的是，观测结果表明白矮星在双星系统中最先形成。通常，质量越大的恒星越先爆炸，所以通常中子星年纪较大。但是这个系统很奇怪，开始时，两颗普通的恒星以彼此为中心旋转，其中一颗比另一颗稍微大一些。两者的质量都刚好低于超新星爆炸(约为太阳质量的8倍)产生中子星所需的质量上限。后来，更大的那颗首先死亡，变成了一颗红巨星，它的外层脱落，最终成为白矮星。但当它膨胀时，它向另一颗恒星喷射了很多物质，导致第二颗恒星变得更大，足以爆炸并产生中子星!于是发生了和一般情况相悖的奇怪系统。
澳大利亚帕克斯射电望远镜观察脉冲星(紫色的小球体发射能量束)与白矮星(蓝色的大球体)在双星轨道上的图像。当白矮星旋转时，它会拖拽时空，改变脉冲星光束到达地球的时间。资料来源:马克·迈尔斯， OzGrav ARC卓越中心

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最终，我们看到了如今巨大的双星系统，一个中子星脉冲星和一个白矮星。脉冲星的旋转速度约为每秒2.5次，对于这样一个庞然大物来说，这是比较慢的。但是白矮星在不到三分钟的时间内旋转，这对白矮星来说是非常快的。可能发生的情况是，第二颗恒星在爆炸前，膨胀成一颗红色的超级巨星，并向白矮星倾倒物质。这些物质落在白矮星上，使它旋转起来，使它具有目前的快速自转速度(这就是他们如何知道白矮星首先形成的;如果中子星是先形成的，那么另一颗恒星就会向它倾倒物质，使它旋转起来。中子星旋转缓慢，所以不可能是这样) 。
脉冲星是非常精确的时钟。我们观察到的这些脉冲与它的旋转有关，它的旋转是非常稳定的。这些脉冲以相同的周期到达，精确到纳秒。
纳秒！
中子星体积小，密度大，你可以这样理解——把太阳的质量压缩成一个直径只有几公里的球。这幅艺术作品描绘了一个与曼哈顿相比较的地方。来源:美国宇航局戈达德太空飞行中心

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然而，那些我们以为已知的规律会改变。天文学家观察了这个系统20年，发现了脉冲周期的变化。脉冲星会随着时间的推移会减慢自旋(称为自旋下降) ，一个非常小的扰动。但是，脉冲的小变化也意味着其他的东西也在变化。因为这两颗死星互相围绕对方运行，所以脉冲星有时在轨道上向地球移动，有时则远离地球。这将脉冲在轨道的一半向上排列，并在另一半向下排列，从而改变脉冲到达地球的时间。因为系统的轨道周期十分精确(在本例中，为0.1976509615天，或4.743623076小时) ，所以这是可以测量的。同时，我们也可以发现轨道的其他方面的变化。分页标题

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经过几十年的观察，科学家发现轨道的方向在改变。它摇晃着，就像桌面与桌面的摩擦减缓了陀螺的摆动。这种运动被称为旋进，可能由以下几个因素引起：一是这两颗恒星并不完全是球形的。因为它们旋转得很快，它们在赤道处由于离心力而膨胀。这两颗恒星的平衡器没有对齐，所以每颗恒星的凸起物都会牵拉另一颗恒星，产生扭矩。这叫做牛顿四极自旋轨道耦合。这只是一个正常的非球面天体相互环绕的效应;这也发生在地球和月球系统，其结果是导致地球的白天逐渐变长。
脉冲星绕白矮星运行时发出的能量束;时空的扭曲被描述为围绕它们的假想网格的变化。
脉冲星不是成比例的;白矮星要大上百倍。 ESO / L 。 Calcada
这就是有趣的相对论效应!被称为“兰斯-瑟林效应” ，以两位物理学家的名字命名，纪念他们首次发现这是广义相对论的结果。

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我以前写过这种效应，当它在黑洞周围被探测到的时候:
黑洞以其强烈的引力而闻名，这种引力可以对其周围的物质施加巨大的力。但事实证明，任何有重力的东西都会扭曲时空——这就是重力，是时空结构中的一个凹痕——如果这个物体也在旋转，它就会拖拽时空，把它包裹起来。这是广义相对论的另一个怪异结果。
如果你把一个球放在蜂蜜里，然后旋转它。由于摩擦，蜂蜜上会呈现被拖来拖去的涟漪。离球近的物体比离球远的物体移动得快。同样的事情也会发生在空间中旋转的物体上;离物体最近的空间将随着旋转一起被拖拽。这被称为镜头焦距效应，或者更通俗地说—帧拖拽。
科学家在地球周围已经测量过这种效应，它取决于物体的质量和旋转速度，而在死星的情况下，这两个数值都要高得多。在这个双星系统中，白矮星的阻力大约是地球的一亿倍！这就是改变两颗恒星轨道方向的原因，也就是脉冲的时间。虽然，科学家以前就在其他天体物理源中发现过类似现象，但从未以这种方式观测到。可以想象这是多么奇妙。
脉冲星/白矮星的观测是很辛苦的。首先，科学家们必须持续观察双星系统数十年，然后计算出这两颗恒星的大量特征，同时还要排除许多其他可能干扰计算的因素。艰苦科研之后的结果是——他们发现了一个微妙的变化。它表明巨大的力量在非常微妙地发挥作用，这些力量可以改变宇宙中两个重量级天体在几十年时间里相互作用的方式，所有这些都归结——空间可以扭曲和涟漪。
作者: Phil Plait
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