宇宙中最精确的时钟

作者: 晨风

来源: 新浪科技

发布日期: 2015-08-12 09:13:35

文章详细介绍了脉冲星的发现及其在科学研究中的重要性,特别是毫秒脉冲星作为宇宙中最精确的时钟,为天文学家提供了研究恒星、物质、时空甚至引力波的独特工具。

中子星物质的密度十分惊人,仅仅大约一汤匙的中子星物质,其质量就将超过1万亿公斤,这几乎相当于地球上所有人类体重的总和。脉冲星属于中子星的一类,它们是大质量恒星死亡之后留下的残骸。

据英国广播公司(BBC)网站报道,1982年9月的一个午夜,希纳·库卡尼(Shri Kulkarni)在波多黎各岛上的阿雷西博天文台,利用这里巨大的射电天线开展脉冲星的搜寻工作。

在此之前,库卡尼刚刚发现了自己的第一颗脉冲星,这颗脉冲星的自转速度极快,大约每1.5毫秒就自转一周,这在当时比任何已知的天体自转还要快上大约20倍。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。

脉冲星很小,直径一般和一座小型城市相当(大约20公里左右),而当时的一般观点认为,如果它的自转达到这样的高速,那么强大的离心力将会把它自己撕成碎片。但此次库卡尼的发现用事实打破了这种预言。这项发现将不仅改变库卡尼的职业生涯,也将彻底改变整个脉冲星科学研究领域。这颗脉冲星编号为PSR B1937+21,它成为了一类最新划出的类型——毫秒脉冲星中的第一颗成员。

中子星的密度十分惊人,其相当于将1.2~2倍太阳的质量挤压进一个直径约20公里的球体内。仅仅大约一汤匙的中子星物质,其质量就将超过1万亿公斤,这几乎相当于地球上所有人类体重的总和。这样惊人的密度意味着在中子星的表面,引力将会十分强大——比地球表面的引力场高出大约1000亿倍。

毫秒脉冲星的发现让脉冲星研究领域重新焕发出生机。自从1967年英国女科学家乔林斯·贝尔发现第一颗脉冲星以来,这一领域已经变得死气沉沉。该领域的一项里程碑式发现出现在1974年,当时罗素·哈尔斯(Russell Hulse)和约瑟夫·泰勒(Joseph Taylor)发现了一对正在相互绕转并逐渐彼此接近的脉冲星。

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。

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。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。

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。与此同时,一个国际合作的引力波探测项目也正在进行,他们将要借助的有力工具正是毫秒脉冲星。

通过以上这些案例已经充分证明了毫秒脉冲星是我们理解一系列宇宙现象的有力工具。库卡尼表示:“它是大自然给与我们的馈赠。它是一座位于天宇之中,精密的物理学实验室。”人类在大约30多年前收到了这份大自然的礼物,即便在当时这个礼物似乎并不显得起眼,但对于现在的我们来说,这无疑是一份珍贵的厚礼。

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