新研究使脈沖星變身宇宙最精確的時鐘

新研究使脈沖星變身宇宙最精確的時鐘
張夢然
2010年07月05日09:00
來源：《科技日報》

人們常以為恆星如其名，是亙古不變的，但並不是所有的恆星都那麼“乖巧”，它們中還存在一類“變星”，在光學波段的物理條件和光學波段以外的電磁輻射有變化。脈沖星，就是變星的一種。

　　日前，一組國際研究人員探索到一個全新的方法，使得浩瀚宇宙中的脈沖星成為更為精確的宇宙之鐘。校准這台“時鐘”，將極大促進對宇宙漣漪——引力波的搜索工作，而引力波被稱之為“愛因斯坦廣義相對論中最后一個尚未被証明是對的組成部分”，它的出現將帶領人們發掘宇宙起源最深處的奧秘。

　　脈沖星的特有節拍

　　1967年，劍橋大學的天文學家在狐狸座首次發現一顆脈沖星，當時引起了天文學界的極大轟動，相關發現者因此榮獲1974年的諾貝爾物理學獎。

　　這顆脈沖星發出的信號被彼時人們稱為“宇宙中一盞閃爍的燈塔”，它發出有規律的脈沖信號且周期十分穩定，為1.337秒，精確到不像是自然界天體會發出的。據說，更早之前，一位著名天體物理學家就曾於獵戶座發現顫抖的射電信號，但他卻以為是自己的記錄儀發生故障，對著儀器踢了一腳，於是顫抖信號消失，他也因此與諾貝爾獎失之交臂，事后念及后悔不迭。

　　亦因為脈沖星的信號過於有規律，在一段時期內，人們甚至認為這是宇宙深處智慧生物發來的“聯絡電報”，第一顆脈沖星就一度被命名為“小綠人1號”。但在幾位天文學家一年的努力后，終於証實，這確為一類天體，正是由於它的快速自轉而發射出電脈沖。

　　但恆星要成為脈沖星可並不容易，需要很強的磁場。而隻有體積小、質量卻大（即密度極高）的恆星，才有足夠強大的磁場。人們一下子想到假說中的天體——中子星，在理論預言裡，中子星密度大得驚人，完全符合脈沖星的強度和頻率要求。於是，脈沖星又立一功，讓中子星真正由假說成為事實，這是上世紀天文學上的一座裡程碑。

　　而脈沖星超高穩定的時間特征，使它顯露出成為天文時鐘的巨大潛力。

　　宇宙之海蕩起波紋

　　引力波被專家稱為“愛因斯坦廣義相對論中最后一個尚未被証明是對的組成部分”，是指引力場從星體或星系中輻射出來的、以行進波的形式向外流動，簡單說，其描述了時空中的波動向外傳遞的形式。預言中其傳播速度等於光速。

　　按理講，深空中的突變性事件，如超新星爆發、黑洞形成、大型天體相撞這些過程，都能輻射出較強引力波，但事實上，在地球上進行的引力波直接搜尋的所有努力最終都以失敗告終。因為，盡管這些波動的確造成地球上各處相對距離的變動，但當它們到達地球的時候已變得非常弱了，其變動的數量級對於地球最先進的引力波探測器來說，小於一顆質子直徑的千分之一。因而引力波目前隻能是廣義相對論的預言。

　　盡管真身未現，引力波可不是模糊的理論或難以捉摸的形態。天文學家已能通過觀測雙星軌道參數的變化，間接驗証引力波的存在。脈沖星雙星系統PSR1913+16，系統內有兩顆中子星，以極其緊密快速的模式互相環繞對方，其呈現的漸進式旋近，旋近時率恰好是廣義相對論所預期的值，証實了理論的准確說明。

　　這次著名的觀測實驗再次產生了一屆諾貝爾物理學獎得主，亦將脈沖星與引力波牽上了千絲萬縷的聯系。

　　校准一台“宇宙時鐘”

　　脈沖星就像個“飛輪”般高速旋轉，有的甚至可以達到每秒714圈，旋轉過程中其磁場形成強烈的電波向外界輻射。

　　科學家當然不會放過這個天然太空實驗室。在對其深入研究后，人們發現脈沖星雖擁有強烈的規律性，但要想成為一台檢測時空曲率的精密儀器，它的旋轉還稱不上“完美的穩定”。任何輕微的不規則變化都會大大降低它們作為時間儀器的價值。

　　借助位於曼徹斯特焦德雷爾班克天文台的76米洛弗爾射電望遠鏡，科學家們對為脈沖星所發出的無線電信號進行了長達數十年的追蹤，並最終取得了突破。由曼徹斯特大學教授安德魯·萊恩領導的國際研究小組根據洛弗爾望遠鏡的數據，解釋了脈沖星旋轉的差異性，並闡述了一種能夠校正它們的方法。

　　小組人員將報告發表於6月末出版的《科學快訊》。據研究者稱，他們得到的一個最突出成果，是發現了脈沖星其實是有兩個自轉速率而非隻有一個，而脈沖星就在這兩個速率之間進行著突然與不可預測的切換。

　　這種切換所產生的變化，與脈沖星所散射出的脈沖形狀變化密切相關。鑒於此，對於任何特定時間脈沖形狀變化所做的精確測量，都已經暗含了對減速率的准確記錄，可以此進行校正。這極大地提高了脈沖星們作為“宇宙時鐘”的精確性能。

　　令物理學家欣喜不已的是，這項結果推動了對宇宙學更深遠的研究。其提供了一種全新見解，指出脈沖星這個處於極端物理條件下星體的狀態。更為重要的是，對“宇宙時鐘”的精確掌握，可使得探索引力波的實驗更加精益求精，當引力波穿越“宇宙時鐘”並致其發生任何變化時，人們可以獲知並証明廣義相對論的最后一個預言，進而一步步邁進宇宙的最神秘領域。
http://scitech.people.com.cn/BIG5/12052792.html