新研究使脉冲星变身宇宙最精确的时钟

2010-7-05 00:00 来源: 科技日报
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  人们常以为恒星如其名,是亘古不变的,但并不是所有的恒星都那么“乖巧”,它们中还存在一类“变星”,在光学波段的物理条件和光学波段以外的电磁辐射有变化。脉冲星,就是变星的一种。

  日前,一组国际研究人员探索到一个全新的方法,使得浩瀚宇宙中的脉冲星成为更为精确的宇宙之钟。校准这台“时钟”,将极大促进对宇宙涟漪——引力波的搜索工作,而引力波被称之为“爱因斯坦广义相对论中最后一个尚未被证明是对的组成部分”,它的出现将带领人们发掘宇宙起源最深处的奥秘。

  脉冲星的特有节拍

  1967年,剑桥大学的天文学家在狐狸座首次发现一颗脉冲星,当时引起了天文学界的极大轰动,相关发现者因此荣获1974年的诺贝尔物理学奖。

  这颗脉冲星发出的信号被彼时人们称为“宇宙中一盏闪烁的灯塔”,它发出有规律的脉冲信号且周期十分稳定,为1.337秒,精确到不像是自然界天体会发出的。据说,更早之前,一位著名天体物理学家就曾于猎户座发现颤抖的射电信号,但他却以为是自己的记录仪发生故障,对着仪器踢了一脚,于是颤抖信号消失,他也因此与诺贝尔奖失之交臂,事后念及后悔不迭。

  亦因为脉冲星的信号过于有规律,在一段时期内,人们甚至认为这是宇宙深处智慧生物发来的“联络电报”,第一颗脉冲星就一度被命名为“小绿人1号”。但在几位天文学家一年的努力后,终于证实,这确为一类天体,正是由于它的快速自转而发射出电脉冲。

  但恒星要成为脉冲星可并不容易,需要很强的磁场。而只有体积小、质量却大(即密度极高)的恒星,才有足够强大的磁场。人们一下子想到假说中的天体——中子星,在理论预言里,中子星密度大得惊人,完全符合脉冲星的强度和频率要求。于是,脉冲星又立一功,让中子星真正由假说成为事实,这是上世纪天文学上的一座里程碑。

  而脉冲星超高稳定的时间特征,使它显露出成为天文时钟的巨大潜力。 

  宇宙之海荡起波纹

  引力波被专家称为“爱因斯坦广义相对论中最后一个尚未被证明是对的组成部分”,是指引力场从星体或星系中辐射出来的、以行进波的形式向外流动,简单说,其描述了时空中的波动向外传递的形式。预言中其传播速度等于光速。

  按理讲,深空中的突变性事件,如超新星爆发、黑洞形成、大型天体相撞这些过程,都能辐射出较强引力波,但事实上,在地球上进行的引力波直接搜寻的所有努力最终都以失败告终。因为,尽管这些波动的确造成地球上各处相对距离的变动,但当它们到达地球的时候已变得非常弱了,其变动的数量级对于地球最先进的引力波探测器来说,小于一颗质子直径的千分之一。因而引力波目前只能是广义相对论的预言。

  尽管真身未现,引力波可不是模糊的理论或难以捉摸的形态。天文学家已能通过观测双星轨道参数的变化,间接验证引力波的存在。脉冲星双星系统PSR1913+16,系统内有两颗中子星,以极其紧密快速的模式互相环绕对方,其呈现的渐进式旋近,旋近时率恰好是广义相对论所预期的值,证实了理论的准确说明。

  这次著名的观测实验再次产生了一届诺贝尔物理学奖得主,亦将脉冲星与引力波牵上了千丝万缕的联系。  

  校准一台“宇宙时钟”

  脉冲星就像个“飞轮”般高速旋转,有的甚至可以达到每秒714圈,旋转过程中其磁场形成强烈的电波向外界辐射。

  科学家当然不会放过这个天然太空实验室。在对其深入研究后,人们发现脉冲星虽拥有强烈的规律性,但要想成为一台检测时空曲率的精密仪器,它的旋转还称不上“完美的稳定”。任何轻微的不规则变化都会大大降低它们作为时间仪器的价值。

  借助位于曼彻斯特焦德雷尔班克天文台的76米洛弗尔射电望远镜,科学家们对为脉冲星所发出的无线电信号进行了长达数十年的追踪,并最终取得了突破。由曼彻斯特大学教授安德鲁·莱恩领导的国际研究小组根据洛弗尔望远镜的数据,解释了脉冲星旋转的差异性,并阐述了一种能够校正它们的方法。

  小组人员将报告发表于6月末出版的《科学快讯》。据研究者称,他们得到的一个最突出成果,是发现了脉冲星其实是有两个自转速率而非只有一个,而脉冲星就在这两个速率之间进行着突然与不可预测的切换。

  这种切换所产生的变化,与脉冲星所散射出的脉冲形状变化密切相关。鉴于此,对于任何特定时间脉冲形状变化所做的精确测量,都已经暗含了对减速率的准确记录,可以此进行校正。这极大地提高了脉冲星们作为“宇宙时钟”的精确性能。

  令物理学家欣喜不已的是,这项结果推动了对宇宙学更深远的研究。其提供了一种全新见解,指出脉冲星这个处于极端物理条件下星体的状态。更为重要的是,对“宇宙时钟”的精确掌握,可使得探索引力波的实验更加精益求精,当引力波穿越“宇宙时钟”并致其发生任何变化时,人们可以获知并证明广义相对论的最后一个预言,进而一步步迈进宇宙的最神秘领域。