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03 太阳系外的引力测验(第3页)

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就像水星一样,赫尔斯-泰勒脉冲双星系统的双中子星围绕着彼此进动。

它们能在一天内完成水星要一个世纪才能完成的进动。

关于双脉冲星的最后一个观测效应是引力波辐射导致的轨道周期变化,这一效应在太阳系内是不可能被测到的。

我们还没有讨论引力波,它是爱因斯坦理论的一个重要预言:它们是存在于时空中的涟漪,能带走某个系统的能量。

引力波在牛顿理论中是不存在的,所以它对于爱因斯坦理论的验证非常重要。

我将在第4章详细解释引力波。

而现在,我们只需要知道引力波是爱因斯坦预言的,而且脉冲双星系统辐射的引力波会带走它们的能量。

我们可以在赫尔斯-泰勒系统的信号中测量三种相对论效应。

它们是中子星伴星引力场导致的时间延迟、双星轨道的进动以及引力波辐射带走能量导致轨道周期变短。

这三种效应中的任意两种都可以用来计算两颗中子星的质量(在这样的双脉冲星系统被发现之前,还没有什么办法可以测量中子星质量),第三种则可以用来验证爱因斯坦的理论是否正确。

利用上述方法测量,赫尔斯-泰勒双星系统中两颗中子星各有1.4个太阳质量。

这一结论来自测量时间延迟效应(0.02%精确度)以及轨道进动(0.0001%精确度)。

利用两颗中子星的质量,我们就可以计算爱因斯坦理论预言中引力波带走的能量,以及它导致的轨道周期如何变化。

结论是,爱因斯坦理论预言赫尔斯-泰勒系统的轨道半径大约每年减少3.5米。

天文观测以0.2%的精确度证实了这一结果。

这是验证爱因斯坦理论的另一个卓越的实验,赫尔斯和泰勒因此获得了1993年的诺贝尔物理学奖。

人们预测赫尔斯-泰勒脉冲双星系统中会发生的最后一种效应叫测地进动(geodeticpre,即陀螺自转轴的指向的变化)。

由于脉冲星自己就像一个绕着伴星公转的陀螺,这一效应可以由脉冲星信号的形状测出。

虽然它是可能被观测到的,但是现有的数据精确度不足以用来验证爱因斯坦的理论。

这主要是因为我们不大清楚脉冲辐射来自中子星表面的哪个位置。

赫尔斯-泰勒脉冲双星系统为验证引力理论提供了一些卓越的方法。

虽然它非常独特,但那只是过去,现在,它已经不再是我们知道的唯一的脉冲双星系统。

现在让我们来看看一些新发现的系统,它们中有一些在对于引力理论的验证上得到了足以比肩赫尔斯-泰勒脉冲双星系统的结果,将来甚至会超越它。

其他脉冲双星系统

鉴于赫尔斯-泰勒脉冲双星系统的重要历史地位,在冠以学名(PSRB1913+16)的同时,它还以它的发现者命名。

而其他脉冲双星系统一般我们只叫学名。

习惯上,我们把这一系统叫作PSR,也就是“脉动源的辐射(PulsatingSourceofRadiation)”

,然后加上它们的赤经和赤纬(用来描述天空中位置的坐标)。

字母“B”

或“J”

也被用来表示该系统是发现于1993年之前或之后(在1993年之后发现的脉冲双星系统一般具有较高的位置精确度)。

直到2006年以前,我们只发现了其他8个轨道周期短于1天的脉冲双星系统。

它们中有一些存在特殊性质,人们对此兴致勃勃,并利用它们研究引力。

虽然观测时间没有赫尔斯-泰勒脉冲双星那么长,它们还是让人们对引力有了更深入的理解。

在这一节的后半部分,我将粗略地介绍一下其中最有代表性的几个系统,最后再来展望一下太阳系外引力测验的未来。

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