获得300万美元大奖的她 究竟发现了什么星?

获得300万美元大奖的她 究竟发现了什么星?
2018年09月08日 09:43 新浪科技综合

  来源:科学大院

  9月6日,今年的基础物理学特别突破奖颁给了英国天体物理学家乔瑟琳·贝尔·伯奈尔,以表彰她发现脉冲星、以及过去五十年间在科学界表现出的鼓舞人心的领导力。

  脉冲星到底是一种什么星?它的发现有何意义?寻找系外行星、探测引力波又跟它有什么关系?

  脉冲星是一类具有强大磁场且高速自转的中子星。从它磁极发出的辐射随着自转会周期性扫过地球,使得我们观测到短周期脉冲信号。中子星很小,半径只有10公里左右,但其质量却很大,通常有太阳的1.4倍那么重。要改变这么重的物体的运动状态是很难的,所以中子星的自转很稳定。原则上,如果不受其他因素影响,那么我们就能看到脉冲星每隔固定的时间就发出一个脉冲信号。

中子星大小示意图中子星大小示意图

  不过,“原则上”的意思就是说:实际上并不是!现实中有许多的因素在影响着脉冲星脉冲信号的时间间隔。这些影响由近及远分别有地球自转、太阳系天体运动(主要是大行星的公转)、星际空间的变化、脉冲星周围可能存在的其他天体等。通过测量脉冲星脉冲到达地球的时间的变化,我们就能测出这些影响,并进而推测影响因素的物理特性。这种观测方式被称为“脉冲星计时”。在寻找行星和探测引力波时,脉冲星计时都发挥着重要的作用。

  寻找X行星

  认为太阳系存在未被发现的大行星的传闻流传已久。天文学家用笔算出海王星后,一度认为还存在一个位于海王星轨道之外的大行星。即使在冥王星发现之后,还是有人认为在冥王星之外还有大行星,否则不能很好地解释海王星轨道的变化。这颗行星就是传说中的X行星。虽然目前海王星的轨道问题已经解决,但仍有人根据其他的蛛丝马迹,提出X行星的猜测。在始终未能观测到X行星的当下,我们有什么方法可以推测X行星的存在与否呢?脉冲星计时就能给出证据!

  上面说到,太阳系中的天体运动会影响脉冲星脉冲的到达时间。直观上的影响,行星的运动会改变太阳系质心位置,相当于太阳系发生了整体的移动,导致地球与脉冲星之间的距离发生改变。如果考虑相对论效应,不同位置的行星能产生不同的引力场,从而改变地球与脉冲星间的距离。对于已知的行星,我们能够计算出它们对脉冲的影响。在消除已知天体的影响之后,剩下的自然就是未知天体的影响。

太阳系主要天体运动示意图太阳系主要天体运动示意图

  2005年,美国普林斯顿大学的研究人员就用脉冲星计时测算过,结论是:在距太阳200天文单位(天文单位为地球与太阳之间的平均距离)之内,不存在木星质量大小的未知天体。如果今后用更高精度的脉冲星计时数据计算,应该能知道距离太阳60个天文单位之内(相当于柯伊伯带之内)有没有地球质量大小的未知天体。

  寻找系外行星

  我们能通过脉冲星计时来探测太阳系内有没有未知行星,那能不能探测脉冲星边上有没有行星在围绕着它转呢?当然可以了!其实这更多的是意料之外的结果。我们知道,中子星产生于超新星爆炸。超新星爆炸的能量是十分惊人的。一般认为经历过超新星爆炸之后,恒星周围的行星不太可能还安然无恙。但不管怎么样,脉冲星用事实告诉天文学家,它不仅可以有行星,还可以有好几颗行星!

  在1990年的时候,波兰天文学家亚历山大·沃尔兹森(Aleksander Wolszczan)使用阿雷西博望远镜发现了一颗毫秒脉冲星,名为B1257+12。通过对这颗脉冲星的脉冲星计时观测,沃尔兹森惊讶的发现,在去除已知天体的影响后,这颗脉冲星还受到另外的规律性影响,而最为合理的解释是:它有两颗行星!到了1994年,进一步的研究确认这颗脉冲星还有第三颗行星。这三颗行星就是人们最先发现的系外行星。其中最开始发现的两颗行星里,有一颗质量只有0.02倍地球质量,仅比月球稍大。这颗系外行星长期保持着“人类已知的质量最小的系外行星”的称号,直到2012年才被开普勒卫星的新发现打破。

B1257+12及其行星想象图B1257+12及其行星想象图

  间接探测引力波

  脉冲星周围的行星都能通过脉冲星计时观测到,那如果脉冲星边上有一颗恒星,岂不是更容易发觉了?早在1975年,当时还是学生的拉塞尔·赫尔斯(Russell Hulse)就利用阿雷西博望远镜发现了首例处于双星系统中的脉冲星。通过脉冲星计时观测,可以知晓这颗脉冲星的伴星也是一颗中子星。只不过这颗中子星的辐射束不扫过地球,所以我们看不到它的脉冲信号。

  这颗脉冲星和中子星伴星的质量都是1.4倍太阳质量左右。它俩最接近的时候,距离只有1.1倍太阳半径那么近!这样的双星系统会明显地因发射引力波而损失能量,结果就是双星系统的轨道会越来越接近,绕转周期越来越短。通过脉冲星计时观测,人们发现其轨道变化结果很好地符合了相对论的预言。这一工作让赫尔斯和他的导师约瑟夫·泰勒(Joseph Taylor)获得了1993年的诺贝尔物理学奖。

脉冲星及其伴星示意图。绿色网格表示周围引力场。脉冲星及其伴星示意图。绿色网格表示周围引力场。

  一个更精确的工作是澳大利亚科学家做出来的。2003年,澳大利亚的帕克斯望远镜发现了一个双脉冲星系统,就是相互绕转的两颗中子星的辐射束都扫过地球,即都是脉冲星。这两颗脉冲星之间的距离更近,相对论效应更强。由于引力波辐射导致的能量损耗,让它们之间每天要靠近7毫米。又因为这两颗都是脉冲星,通过脉冲星计时能够对它们的轨道变化做出更为精准的测量,最终得到结论:引力波理论预言的准确度达到99.95%!

  脉冲星计时阵列直接探测引力波

  除了上述对双星系统中的脉冲星进行计时观测,从而间接探测引力波之外,我们还能用“脉冲星计时阵列”来直接探测引力波信号。

  什么叫“脉冲星计时阵列”?

  其实就是选几颗脉冲星,隔几天做一次脉冲星计时观测。也许有人会问,美国的激光干涉引力波天文台 (LIGO)不是已经探测到引力波,还拿了诺贝尔奖吗?为什么还需要脉冲星计时阵列来探测呢?

  对于LIGO项目,简单来说,就是在两条相互垂直、长度达4公里的管道内通上激光。在引力波的影响下,这两条管道的长度会发生规律性的变化,导致激光干涉结果发生改变。换言之,通过测量激光干涉结果的变化,我们就可以捕捉引力波。

LIGO原理示意图LIGO原理示意图

  引力波探测项目远不止LIGO一个。另一个著名的计划是欧洲空间局主导的太空激光干涉仪(LISA)。这组探测器将用3颗卫星排布成边长为250万公里的等边三角形,并互相发射激光。与LIGO原理类似,若通过激光测量出卫星之间距离发生某种规律性变化,就能够捕捉到引力波的信息。中国科学院提出的空间太极计划和中山大学提出的天琴计划,也是类似的空间引力波探测项目。

LISA计划示意图LISA计划示意图

  聪明的你也许已经能联想到了,脉冲星计时阵列探测引力波,其实就是把脉冲星当做信号源来测量脉冲星到地球之间距离的变化。如果我们发现多颗脉冲星同时发生某种规律性变化,那么我们就探测到引力波啦!

脉冲星计时阵列示意图。绿色网格代表受引力波影响而抖动的时空。脉冲星计时阵列示意图。绿色网格代表受引力波影响而抖动的时空。

  那究竟为啥我们需要脉冲星来探测引力波呢?

  我们上面提到的LIGO、LISA还有脉冲星计时阵列,它们最大的区别是什么?

  距离!

  LIGO管道长度是4公里;LISA计划边长是250万公里;而脉冲星到地球之间的距离,一般要用“千秒差距”作单位。一千秒差距大约等于3亿亿公里(注意,并不是我手抖多打一个亿)。

  这些大小不一的探测设备,其实是为了探测不同波长的引力波。而不同波长的引力波往往对应着不同的天文事件。比如,最小的LIGO探测的引力波波长最短,可以由双中子星合并、恒星级黑洞合并产生;LISA探测的引力波波长长一些,可能来自银河系内黑洞合并,或是超大质量黑洞与致密天体相互作用;脉冲星计时阵列观测的引力波波长更长,可以窥探星系中心黑洞合并事件。这样看来,用脉冲星计时阵列来探测引力波还是很有必要的。

  使用脉冲星计时阵列探测引力波,需要经年累月地对多颗周期稳定的脉冲星进行观测,而直到目前还没能探测到引力波信号。对更多的脉冲星,做更高精度的观测,将使我们更容易探测到引力波。FAST作为世界最大的单口径射电望远镜,有望能够找到更多能够用来探测引力波的脉冲星。同时,我们将来也能用FAST对脉冲星计时阵列中的脉冲星做更好的观测。未来,FAST势必能够帮助科学家更好地探测引力波。此外,我国科学家一直在参与的国际共建的平方公里阵(SKA)和中国科学院新疆天文台提出的奇台110米射电望远镜(QTT)项目都在有条不紊地推进着。这些强大的设备,日后定能助力引力波的探测。

  结语

  利用脉冲星计时观测,我们小到可以发现比月亮略重的行星,大到可以探测两个星系中心黑洞合并事件。阿雷西博望远镜通过对脉冲星的计时观测间接探测到引力波,获得诺贝尔奖。兴许等到用脉冲星计时阵列直接测到引力波的那天,还能再拿一个诺贝尔奖呢!

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