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  • 研究发现,白矮星的高速自转使其时空在这一场轻快舞蹈中慢了下来

    快速旋转的白矮星在其宇宙之舞中拖曳着时空。

    天文学家到底是如何利用爱因斯坦的广义相对论来研究双星系统中白矮星的旋转呢?根据爱因斯坦的广义相对论,一个大质量物体的旋转会在其附近产生时空的拖曳。拿地球自转来说,通过卫星实验已经测试过这种效应。

    在射电脉冲星的帮助下,一个国际科学家团队(主要包括位于德国波恩的马克斯·普朗克射电天文学研究所里的科学家们)检测出快速旋转的白矮星伴星周围的时空旋动,从而证实了这种独特的双星系统的形成理论。该研究成果发表在本周的《科学》杂志上。

    研究发现,白矮星的高速自转使其时空在这一场轻快舞蹈中慢了下来

    PSR J1141-6545,这种白矮星-脉冲星双星系统,是由CSIRO的帕克斯射电望远镜发现的。脉冲星每4.8小时绕对应的白矮星运行一周。白矮星的快速旋转拖曳着它周围的时空,使得整个轨道的方向都发生了改变。

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    1999年,借助澳大利亚帕克斯射电望远镜,科学家在穆斯卡星座(the Fly)发现了一个独特的双星体系,靠近著名的南十字星座。在这个星系中,无线电脉冲星PSR J1141-6545与一颗相对较大的白矮星相互绕转,它的"一年"持续时间不到地球的5小时。无线电脉冲星是一种快速旋转的中子星,它沿着磁极发射无线电波。“这个脉冲星的轨道非常特别。

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    因为恒星之间的最大间隔几乎不超过太阳的大小,所以它在轨道上以近100万公里/小时的最大速度在太空中飞行。”,维维克·维卡塔拉曼·克里希南博士这样说道,他是这篇论文的第一作者并且是马克斯·普朗克射电天文学研究所的科学家,在澳大利亚斯温本科技大学攻读博士学位时,他对无线电脉冲星PSR J1141-6545进行了数据分析和部分观察。

    研究发现,白矮星的高速自转使其时空在这一场轻快舞蹈中慢了下来

    不同于其他由脉冲星和白矮星组成的双星体系,理论模型表明,PSR J1141-6545的白矮星伴星形成于它之前。这些理论模型的一个重要预测是,在形成脉冲星的超新星爆炸之前,从脉冲星的前身到白矮星有大量的质量转移,这样一来就极大的加快了白矮星转速。"测量这种旋转是对我们双星体系演化模型的重要检验”,这篇论文的合著者,丹麦奥胡斯大学中子星和白矮星专家托马斯·陶里斯教授说道。

    研究发现,白矮星的高速自转使其时空在这一场轻快舞蹈中慢了下来

    测量恒星自转的标准方法是研究其光谱线。但是,这对于PSR J1141-6545的白矮星伴星来说,效果微乎其微。那么我们该如何测量它的旋转呢?答案源于一个出乎意料的方向,可以追溯到100多年前的理论物理学发展进程。

    即使在1915年11月广义相对论完成之前,阿尔伯特·爱因斯坦就已经意识到,在引力是弯曲时空的原因的理论中,质量的旋转一般直接作用于引力场,这与牛顿的天体理论不同。简单地说,质量的旋转会扭曲其附近的时空,这种效果通常称为"参考系拖拽效应"。之后在1918年,约瑟夫·兰斯和汉斯·瑟林在阿尔伯特·爱因斯坦的大力支持下,用广义相对论计算了太阳系的这种效应。特别是,他们计算了太阳旋转造成的时空拖曳如何影响行星的运动。他们的结论是,这些影响小的不可思议以至于在当时无法测量。

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    与此同时,技术进步了并且地球的旋转引起的参考系拖曳效应最终被卫星实验如重力探测器B,以及激光测距卫星LAGEOS 1&2以及LARES的组合所共同探测到。重力探测器B使用一组四个精密陀螺仪来测量这种效应,而后的一个实验测量了卫星轨道平面在地球旋转方向上的缓慢进动,即所谓的"兰斯-瑟林进动"。同时,卫星的这种进动已被确认在2%左右,与广义相对论的预测一致。其影响极小:例如,LAGEOS-1位于半径约为12,300公里的圆形轨道上。它的轨道平面每年仅进动0.000086度,相当于完全旋转需要大约4000万年。

    根据恒星演化模型,PSR J1141-6545的白矮星伴星附近的情况应该大不相同:尽管它比地球小一点,但它的质量却是地球的34万倍,这与太阳的质量相当。人们预计它将在几分钟内绕轴旋转。Norbert Wex博士是MPIfR的广义相对论专家、论文合著者,他说道:“假设LAGEOS-1绕着这颗白矮星运行,它的轨道每天会进几度,因为时空的牵引力大约是白矮星的1亿倍,”。

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    人类向这颗白矮星发射卫星是不可能的,因为它离我们有几千光年(几百千万亿公里)远。来自这颗脉冲星的无线电信号提供了其运动的精确测量,这是一种类似于LARES和LAGEOS-1 - 2卫星的激光测距测量。“在原子钟的帮助下,我们能够在帕克斯和最大的射电望远镜上对脉冲星信号的到达时间进行高度精确的测量,也可以在将近20年的时间里,以平均每测量30公里的测距精度跟踪脉冲星的轨道。这样就产生了一个精确的大小和方向的确定轨道”,Vivek万卡特拉曼·莱马克里斯Krishnan博士解释道。

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    在脉冲星与白矮星的距离上,时空的拖曳力大约是在类拉格日耳曼轨道距离上的一百万倍。然而,在过去的20年里,伦斯-瑟林的岁差却仍然导致了脉冲星150公里的岁差。新西兰奥克兰理工大学的科学家兼论文合著者威廉·范斯特拉顿博士解释称:“经过详细的计算并排除了一系列可能的实验误差后,脉冲星J1141-6545的观测确实显示出了这样的偏差,这被证实是由于其轨道方向的改变所造成的。”

    仔细分析这种考虑了伦斯-瑟林效应的测量方法,可以估计白矮星的旋转周期大约为100秒每圈·这很好地证实了在150万年前形成脉冲星的超新星爆炸之前,脉冲星的前身有一个重要的质量转移到白矮星这一观点。同样作为论文合著者的澳大利亚斯威本大学科学家马修·贝尔斯教授认为:“这样的的结果来自于阿尔伯特·爱因斯坦留给我们的·一个工具,这个工具能够使得我们现在能够了解更多关于脉冲星及其伴星的信息。”

    像MeerKAT和平方公里阵列(SKA)这种即将出现的新的射电望远镜,将帮助我们在理解爱因斯坦的理论如何在这些自然实验室中发挥作用方面发挥核心作用。英国SKA组织的科学家、论文合著者埃文·基恩博士认为:“随着平方公里列阵探测到更多类似于这样的奇异双星系统,我们将有望在未来研究出广义相对论所预测的更多效应。”

    参考资料

    1.Wikipedia百科全书

    2.天文学名词

    3.

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