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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( 四 )


通过对这类信号在射电波段 ， 有时候甚至是在X射线乃至γ射线波段的观测非常重要 ， 因为这是天文学家们了解和研究奇异的脉冲星系统唯一的的途径 。 同时这也是研究脉冲星独特组成与机构状况的唯一途径 。
从本质上说 ， 脉冲星基本就是一颗巨大的原子核 。 一般认为它们可能拥有一层薄薄的大气层 ， 厚度不超过10厘米 。 其中的主要成分则是氦 ， 氢和碳 ， 而其最外侧的“地壳”的主要成分则是铁 。 而如果你继续向其内部进发 ， 那里的物质密度将变得更高 ， 是几乎完全由中子组成的奇异物质 。 当然 ， 这些都只是理论模型得到的结论 ， 根本不可能登陆或钻进一颗脉冲星开展实地考察 。
然而毫秒脉冲星可以为我们提供线索 。 它们发出的脉冲信号让天文学家们可以精确测定它们的轨道并据此定出它们的质量 ， 而这一数据是理论学家们限定并提出新模型和假想理论的基础 。 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 。 对于物理学家们而言 ， 脉冲星就是开展极端条件物理实验的天然实验室 ， 甚至可能在这里找到全新的物质形态 。
赫塞尔斯说：“这简直是一个奇迹：在宇宙中竟会存在这样的天体 ， 能够让我们去涉足物理学中一些原本根本无法触及的领域 。 ”
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

宇宙中最精确的时钟
检验爱因斯坦的理论 这样的领域就包括引力本身 。 爱因斯坦的广义相对论将引力描述为时空的扭曲 ， 并且在那之后 ， 这一理论预测已经经受住了一次又一次的实践检验 。 然而在脉冲星附近的超高密度物质以及超强引力场环境下 ， 广义相对论是否仍然有效？要知道唯一能够在密度和引力强度上超越中子星的就只剩下黑洞了 。 而要想找出这个问题的答案 ， 研究人员就必须对来自脉冲星的信号进行分析 。
近期 ， 赫塞尔斯所在的一个研究组发现了一个位于三星系统内的毫秒脉冲星 。 这个系统中除了这颗脉冲星之外 ， 另外两个成员都是白矮星——同样是恒星爆发衰亡之后的遗骸 ， 与中子星之间的差异就在于形成白矮星的恒星质量不如形成中子星的恒星质量那么大 。 这种奇异的组合提供了检验广义相对论的一个绝佳机会：等效原理 。
等效原理是爱因斯坦广义相对论中的一项核心原则 ， 其可以简单地表述为：引力对于任何人和任何事物都是等效的 。 或许其中最有名的案例便是1971年美国宇航员戴夫·斯科特(Dave Scott)在月面上利用一把锤子和羽毛进行的一项自由落体实验 。 实验的结果当然是这两者同时落到月面上 ， 从而证明了月球引力作用对于这两个物体产生的作用是相同的 。 与之相似的 ， 研究人员想要了解在这一特殊的三星系统内 ， 其中一颗白矮星对脉冲星施加的引力作用是否与另外一颗白矮星对脉冲星施加的引力作用是相同的 。 目前这项研究工作还尚未开始进行 ， 但他们表示一旦开展 ， 这将是迄今对于等效原理最为精确的一次检验 。
当然 ， 到目前为止还没有任何实验结果表明爱因斯坦的理论是错误的 。 对于相对论最为有力的一项证明来自哈尔斯和泰勒两人发现的脉冲星双星系统 ， 他们的观测进行时人们还尚未发现毫秒脉冲星 ， 但那项观测证实了引力波的真实存在 。 不过哈尔斯和泰勒所做的那项观测仍然是间接的 ， 他们只是通过对这两颗脉冲星轨道参数的测量 ， 并进而推断出引力波的存在 。 时至今日 ， 对引力波的直接探测仍然尚未成功 。
不过 ， 科学家们正在努力开展这方面的尝试 ， 如在地面上建设了“极光干涉引力波观测台”(LIGO) ， 其设计目标是直接检测宇宙中由于中子星或黑洞相撞时可能产生的引力波信号 。 这一设施的第一阶段运行在2002年至2010年间进行 ， 但结果是一无所获 。 但经过大规模升级之后 ， 该设施即将在今年秋季开始第二阶段运行 。


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