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鲜闻联播|宇宙中最精确的时钟：毫秒脉冲星的发现历程( 三 )


这两人进行的测量时迄今人类所获得有关引力波存在的最清晰证据 ， 从而证明了爱因斯坦在其广义相对论中所作出的预言 。 1993年 ， 由于在这方面做出的开创性工作 ， 这两位物理学家被授予诺贝尔奖 。 库卡尼表示：“那是这个领域的巅峰时期 。 但在那之后 ， 这个领域仅剩下的唯一可做的事情似乎就是发现更多的脉冲星而已了 。 到了1982年 ， 有一种感觉就是 ， 似乎关于脉冲星的一切都已经被搞清楚了 。 ”

鲜闻联播|宇宙中最精确的时钟：毫秒脉冲星的发现历程
本文插图
在整个宇宙中 ， 除了这里你找不到其他具备如此高的密度和压力环境的地方
宇宙实验室 直到库卡尼发现首颗毫秒脉冲星 ， 这种死气沉沉的局面才终于被打破 。 自那以后 ， 天文学家们又找到了大约300颗属于这一类别的脉冲星 。 他们认为仅在银河系中就有超过2万颗毫秒脉冲星 ， 另外还有数量大致相同的常规脉冲星——听上去似乎数量不少 ， 但相比银河系内动辄数以千亿计的恒星数量 ， 这类神秘天体的数量实际上是极其稀少的 。 库卡尼发现的脉冲星PSR B1937+21一直保持着自转速度最快天体的记录直到2006年 。 就在这一年 ， 与当年发现首颗毫秒脉冲星时的库卡尼一样还是研究生身份的杰森·赫塞尔斯(Jason Hessels)发现了一颗编号为Terzan 5ad的脉冲星 ， 这是一颗非常暗弱的脉冲星 ， 但其自转速度高达每秒716圈 。
在这样的高速和巨大的质量下 ， 毫秒脉冲星将具备巨大的角动量 ， 因此它们的自转速度将很难慢下来 。 这就让它们在漫长的时间里能够一直保持近乎不变的自转周期 。 当毫秒脉冲星最早被发现时 ， 它们的自转周期精度几乎可以与地球上最精确的原子钟相媲美 。 目前在荷兰阿姆斯特丹大学担任教职的赫塞尔斯表示 ， 时至今日 ， 最新一代的原子钟的计时精度已经超过了脉冲星 ， 但如果放在更长的时间尺度下 ， 比如数十年的时间里去比较 ， 那么毫秒脉冲星的计时精度仍然可以达到与最新的原子钟不相上下的地步 。
即便经过数十亿年之后 ， 毫秒脉冲星的自转周期也只会延长几个毫秒而已 ， 但由于天文学家们能够精确测定其减速速率 ， 因此他们就可以扣除减速效应的影响并继续将它们用作精确的计时工具 。
毫秒脉冲星的自转周期精度极高 ， 天文学家们目前对其进行的测量精度已经达到了10亿亿分之一的量级(10的18次方分之一) 。 他们对于脉冲星的信号抵达地球的时间预报精度已经达到100纳秒(1纳秒等于10亿分之一秒)的水平 。 由于这样的信号极其精确 ， 因此任何最细微的变化都能够揭示在脉冲星周围以及信号在太空中传播过程中所发生的事件 。

一颗脉冲星示意图
在太空中弥漫分布着稀疏的尘埃与气体物质 ， 它们被称作星际介质 ， 这些物质会阻挡和发散来自脉冲星的信号 。 通过对脉冲星信号的衰减 ， 强度以及发散程度进行测量 ， 天文学家们能够了解星际介质的性质 ， 而后者在恒星与星系形成以及演化方面都扮演着关键角色 。
在脉冲星周围是帮助它加速自转的伴星 。 科学家们想要了解这颗伴星有多大 ， 它是如何随着时间推移而发生演化的 。 比如变化的磁场将如何影响其外形以及轨道性质 。 对于这些 ， 脉冲星信号的延迟 ， 调幅以及其他性质的变化都在向天文学家们透露着这颗伴星的诸多性质以及它与脉冲星之间的互动状态 。
得益于对脉冲星极高精度的测定 ， 天文学家们现在可以察觉脉冲信号中哪怕最细微的变化以及它背后的引力作用 。 在1992年 ， 天文学家们在一颗毫秒脉冲星的周围发现了一个行星系统 ， 这是人类发现的第一个太阳系外行星系统 。 来自行星的引力影响造成脉冲星发生轻微晃动 ， 从而对其抵达地球的脉冲信号产生极细微的影响 。 以库卡尼发现的毫秒脉冲星PSR B1937+21为例 ， 近期对其脉冲信号的精密分析同样显示这颗脉冲星周围可能存在一些小型天体 ， 其大小可能与小行星的大小接近 。


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