双星|科学家发现神奇的异类双星系统
内容简介：文章关注了一个由一颗脉冲星和一颗白矮星组成的双星系统 。 解释了该系统形成的过程 ， 脉冲星的脉冲周期和系统的运行周期 。 经过数十年的观察 ， 科学家们发现了系统轨道方向的变化 ， 并将之与广义相对论联系起来 。 
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在观察了一个由两颗死星组成的双星系统20年之后 ， 天文学家们发现了广义相对论另一个结果：框架拖动 。 在广义相对论中 ， 一个快速旋转的大质量物体确实拖动了它周围的时空结构 ， 就像一根线缠绕着一个纺锤 。
这个发现的背后的每一个科学原理都是有趣、惊人的 。 让我们来一探究竟吧！
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这个双星系统由一颗脉冲星(称为PSR J1141-6545)和一颗白矮星组成 ， 它们以彼此为中心旋转着 。 白矮星是类似太阳的恒星在死亡后剩下的核心部分 ， 也就是死亡的恒星褪去外层 ， 剩下的炽热而稠密的内核:一般情况下 ， 它们与地球大小差不多 ， 但质量却有一颗恒星那么大 。
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脉冲星与白矮星的产生原理是类似的 ， 但它产生的过程更为猛烈 。 它是一颗大得多的恒星爆炸形成的超新星的残余核心 。 当爆炸发生时 ， 能量剧烈地向外喷射 ， 核心坍缩成为一个直径约20公里的中子球 ， 其质量甚至超过一颗白矮星 ， 我们称这样的物体为中子星 。 它们有时会从两极发出辐射束 ， 当它们旋转时 ， 这些辐射束会像灯塔发出的光一样横扫太空 。 从地球上看 ， 当光束从我们头顶经过时 ， 就是一个光点 ， 因此有了脉冲星这个术语 。
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一颗白矮星体积如此之小 ， 质量却如此之大 ， 其密度是地球的几十万倍 ， 约为每毫升一百万克 ， 水的密度的一百万倍 。 另一方面 ， 中子星质量更大 ， 体积更小 ， 所以它的密度更惊人:是水的100万亿倍 。 一立方厘米中子星物质的重量相当于美国所有汽车的重量总和 。
奇怪的是 ， 观测结果表明白矮星在双星系统中最先形成 。 通常 ， 质量越大的恒星越先爆炸 ， 所以通常中子星年纪较大 。 但是这个系统很奇怪 ， 开始时 ， 两颗普通的恒星以彼此为中心旋转 ， 其中一颗比另一颗稍微大一些 。 两者的质量都刚好低于超新星爆炸(约为太阳质量的8倍)产生中子星所需的质量上限 。 后来 ， 更大的那颗首先死亡 ， 变成了一颗红巨星 ， 它的外层脱落 ， 最终成为白矮星 。 但当它膨胀时 ， 它向另一颗恒星喷射了很多物质 ， 导致第二颗恒星变得更大 ， 足以爆炸并产生中子星!于是发生了和一般情况相悖的奇怪系统 。
澳大利亚帕克斯射电望远镜观察脉冲星(紫色的小球体发射能量束)与白矮星(蓝色的大球体)在双星轨道上的图像 。 当白矮星旋转时 ， 它会拖拽时空 ， 改变脉冲星光束到达地球的时间 。 资料来源:马克·迈尔斯 ， OzGrav ARC卓越中心
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最终 ， 我们看到了如今巨大的双星系统 ， 一个中子星脉冲星和一个白矮星 。 脉冲星的旋转速度约为每秒2.5次 ， 对于这样一个庞然大物来说 ， 这是比较慢的 。 但是白矮星在不到三分钟的时间内旋转 ， 这对白矮星来说是非常快的 。 可能发生的情况是 ， 第二颗恒星在爆炸前 ， 膨胀成一颗红色的超级巨星 ， 并向白矮星倾倒物质 。 这些物质落在白矮星上 ， 使它旋转起来 ， 使它具有目前的快速自转速度(这就是他们如何知道白矮星首先形成的;如果中子星是先形成的 ， 那么另一颗恒星就会向它倾倒物质 ， 使它旋转起来 。 中子星旋转缓慢 ， 所以不可能是这样) 。
脉冲星是非常精确的时钟 。 我们观察到的这些脉冲与它的旋转有关 ， 它的旋转是非常稳定的 。 这些脉冲以相同的周期到达 ， 精确到纳秒 。
纳秒！
中子星体积小 ， 密度大 ， 你可以这样理解——把太阳的质量压缩成一个直径只有几公里的球 。 这幅艺术作品描绘了一个与曼哈顿相比较的地方 。 来源:美国宇航局戈达德太空飞行中心
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然而 ， 那些我们以为已知的规律会改变 。 天文学家观察了这个系统20年 ， 发现了脉冲周期的变化 。 脉冲星会随着时间的推移会减慢自旋(称为自旋下降) ， 一个非常小的扰动 。 但是 ， 脉冲的小变化也意味着其他的东西也在变化 。 因为这两颗死星互相围绕对方运行 ， 所以脉冲星有时在轨道上向地球移动 ， 有时则远离地球 。 这将脉冲在轨道的一半向上排列 ， 并在另一半向下排列 ， 从而改变脉冲到达地球的时间 。 因为系统的轨道周期十分精确(在本例中 ， 为0.1976509615天 ， 或4.743623076小时) ， 所以这是可以测量的 。 同时 ， 我们也可以发现轨道的其他方面的变化 。
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