脉冲双星

脉冲双星是指两颗中子星，其中一颗是脉冲星，它们沿着轨道相互绕行形成的双星系统。目前已知的脉冲双星有120个。脉冲双星的概念不仅限于此，也可以用于描述围绕其他恒星旋转的双星系统。然而，“脉冲双星”这个词通常专指最早被发现的脉冲双星，即PSR 1913+16^[1]。

脉冲双星PSR1913+16是由马萨诸塞大学的罗素·胡尔斯（Russell Hulse）和约瑟夫·泰勒（Joseph Taylor）于1974年使用位于波多黎各的阿雷西博射电望远镜发现的。胡尔斯当时是一名研究生，负责该项目的日常运作，而泰勒是项目的总体负责人。他们的发现对于验证爱因斯坦的广义相对论具有重要意义，并因此在1993年共同获得了诺贝尔物理学奖^[2]。

脉冲双星PSR1913+16最初是在1974年8月2日被探测到的一个微弱信号所揭示的。这个信号的周期极短，仅为0.059秒，是当时已知的第二快的脉冲星。直到8月25日，胡尔斯才能使用阿雷西博望远镜对其进行更详细的观测。他们发现，这颗脉冲星的周期并不稳定，每天都有显著的变化。到了1974年9月初，胡尔斯意识到这些变化实际上是周期性的，并且可以用脉冲星在其伴星周围的多普勒效应来解释。泰勒加入研究团队后，他们确定了脉冲星绕其伴星运动的轨道周期为7小时45分钟，最高速率为300公里每秒，平均速度约为200公里每秒。这意味着脉冲星和伴星之间的平均距离大约等于太阳的半径，整个双星系统刚好能容纳在太阳内部^[3]。

脉冲双星的研究对于验证爱因斯坦的广义相对论至关重要。通过对脉冲双星PSR1913+16的观测，科学家们发现了其近星点进动现象，这一现象比水星的进动强约100倍。此外，脉冲星的周期性变化也为研究提供了更多的机会。最终，科学家们成功地将近星点位移的测量结果与双星系统的轨道数据相结合，以前所未有的高精度确定了双星系统的质量和组成。脉冲双星的研究不仅证实了广义相对论的预测，而且还展示了如何利用脉冲星作为时间测量工具的潜力。未来，甚至可能会考虑使用脉冲双星来定义秒的长度。

随着时间的推移，对脉冲双星的观测精度不断提高。研究人员发现，脉冲星的周期在一年内增加了1/4毫微秒，相当于一百万年内仅慢4%的钟。这些高度精确的数据是针对特定日期，即1978年的9月1日。此外，脉冲双星的研究还涉及到狭义相对论的时间膨胀效应，以及引力场对脉冲星周期的影响。这些研究表明，脉冲星的周期在一个轨道周期内的最大变化为58毫微秒，这一变化可用于确定两颗星的质量比。脉冲双星PSR1913+16的研究成果还包括对引力辐射的观测，这是一种由引力波产生的能量损失现象。这种能量损失会导致脉冲星及其伴星逐渐靠近，从而使轨道运动加速。