1、 现代天文学现代天文学 （诺贝尔奖天文学奖项回顾）（诺贝尔奖天文学奖项回顾） 讲授提纲讲授提纲 第七章 脉冲双星和毫秒脉冲星1，引力波的预言2，射电脉冲双星的发现3，引力辐射的验证4，毫秒脉冲星和双星系统1，引力波的预言，引力波的预言 脉冲星三大发现 1967年贝尔和休伊什发现 脉冲星 1974年赫尔斯和泰勒发现 脉冲星双星系统1982年贝克和库尔卡尼发现 毫秒脉冲星 师生合作的典范师生合作的典范 脉冲星的发现贝尔（博士生） 休伊什教授 脉冲双星的发现赫尔斯（博士生） 泰勒教授 毫秒脉冲星的发现库尔卡尼（博士生） 贝克教授爱因斯坦广义相对论的爱因斯坦广义相对论的 三大预言：三大预言：1，光线在
2、太阳引力场中的弯曲；2，水星近日点的运动规律；3，引力场中的光谱红移现象。这三个预言都先后得到了证实。广义相对论的又一预言 引力辐射引力辐射 任何具有质量的物体作加速运动都应该产生引力辐射。 在地球上不可能作实验：质量太小 科学家寄希望于探测来自宇宙空间 的引力辐射。经历半个世纪也没有得到实验的验证。 引力波的特点引力波的特点1，非常微弱，只有非常巨大的引力事件才能被当前最灵敏的引力波探测器测出。2，非常强的穿透性，传播中几乎不受阻 尼3，四极辐射性质 高频波段：1104 Hz 超新星爆发，很强，持续几分钟， 双致密星并合：很强，持续十几分钟3，引力波源的性质 低频波段： 1104 Hz 银河
3、系中短周期双星，长期 大黑洞双星，长期 宇宙初始背景引力波 甚低： 107 109 极低：1015 1018 宇宙初始背景引力波 引力波探测器：引力波探测器： 引力波的作用是使物体发生扭曲和变形，因此所有引力波天线常常是一根棒，借助测量这个天线极小的扭曲和变形来确定是否接收到引力波。引力波通过对时空的影响而被测到1，LIGO：利用激光干涉方法测量两支互相垂直的“ 量尺”之间的长度差及其变化。量尺臂长4千米（美国），3千米（意大利），（600米）德国，300米（日本）2，脉冲星天上的标准钟 引力波对脉冲星周期的影响 所有探测器都没有探测到引力波2，射电脉冲双星，射电脉冲双星的发现的发现 J.J.
4、泰勒泰勒 在1967年发现脉冲星的时候，还是一位博士研究生。1968年获得博士学位后，和哈佛大学的同事合作，继贝尔发现4颗脉冲星之后发现第五颗射电脉冲星。他的名言： “ 有可能产生重大意义的研究，再困难也得试一试”。 1973年J.泰勒教授新的巡天观测计划： 发现短周期、远距离的脉冲星。 赫尔斯 1973年在麻省大学学习的赫尔斯是J.泰勒教授的研究生。他选择泰勒的脉冲星巡天课题作为博士论文。 他认为，这个课题体现了射电天文学、物理学和电子计算机科学三个学科完美的结合。脉冲星观测发现较多的脉冲星观测发现较多的 射电望远镜：射电望远镜：1，澳大利亚Parkes的直径64米直径射电望远镜占第一位，发
5、现一半以上；2，Arecibo射电望远镜发现100颗左右；3，英国焦德尔班克的76米直径射电望远镜发现大约100；，4，美国格林班克的直径92米射电望远镜发现近100个； 在星际介质中不同频率在星际介质中不同频率 的无线电波的传播速度不同的无线电波的传播速度不同 脉冲星发出的同一个脉冲到达射电望远镜时，高频和低频成分有时间差，导致接收到的脉冲变宽了，脉冲能量分散，脉冲轮廓变形，甚至会将脉冲平滑掉。 消色散接收机 消色散的办法是把接收机总通频带分成许多窄带，每一个窄带的带宽小于可允许的带宽上限。计算出各窄带之间的相对时间差，消色散就是把各个频率通道的结果补偿各自对第一个通道的时间延迟后再加起来。
6、 赫尔斯旗开得胜 赫尔斯独自观测和处理资料，发现40颗新脉冲星，可以说取得了空前的好成果。这次巡天的成功率比以前的高出4倍。在当时脉冲星仅有100颗的情况下，一下子增加了40颗，对脉冲星的观测研究有巨大的促进。赫尔斯说赫尔斯说： “ 我们的巡天发现了40颗脉冲星，其中一颗调皮捣蛋，它的周期老变，弄得我寝食不安。” 发现“ 怪星” 有一个周期仅0.059秒的脉冲星PSR191316很怪癖。这颗星的周期只有59毫秒，但两次时隔仅两天的观测，周期值的差别竟达27微秒之多。 赫尔斯以为是设备出了问题，或观测程序或处理方法有错。但怎么查也找不到毛病。 原来是双星 周期测不准的原因是这颗脉冲星是在双星系统
7、中。轨道周期很短，所以短期中对测量到脉冲星周期产生周期性影响。后来赫尔斯悟出了这个原因。测出了双星的轨道周期。 好运气！ 现在至少已发现50颗射电脉冲双星。其中只有5个双中子星系统。然而，第一个发现的就是双中子星系统。其轨道椭率很大，是用来检验引力辐射的最好的实验室。 好运气只能属于在脉冲星巡天观测中辛勤耕耘并决心攀登科学高峰的人们。3，引力辐射的，引力辐射的验证验证 理想的引力实验室 在天文学中，双星系统很平常，已知的恒星有近一半属于双星系统，可谓千千万万。既使对中子星来说，所有伴有X射线辐射的中子星都是双星系统的成员，也司空见惯。但是在射电脉冲星的世界里却比较少见。 困难和成功 第一个难点
8、是，理论计算的轨道周期的变化非常微小，要求观测测量极端的精密。 第二个难点是，为了发现轨道周期的变化必须要进行长期的观测。 J.泰勒教授奋斗了近20年。用世界上最大的射电望远镜进行上千次的观测，观测值和理论预期值的误差仅为0.4。终于证实了引力波的存在。奋斗20载，验证引力波 根据广义相对论，可以计算出双中子星系统有很强的引力辐射。引力辐射将会导致双星系统轨道运动周期变短。如果我们能够测量出脉冲双星轨道周期的变化，便能间接地确认引力辐射的存在。12106 . 2 特殊的引力实验室 这个特殊的脉冲双星系统的重要性在于它是双中子星系统，两颗子星间没有物质交流。它的轨道周期很短，仅7.75小时，两颗
9、子星相距很近，轨道椭率很大，达到0.617。导致脉冲星具有非常高的轨道运动速度，可达光速的十分之一。根据广义相对论理论推算出这个双星轨道周期的变化率为 秒/秒。 赫尔斯和泰勒获1993年诺贝尔物理学奖 1993年赫尔斯和泰勒因发现射电脉冲双星共同获得该年度诺贝尔物理学奖，引起了全世界的轰动。 他们发现的脉冲双星系统成为验证引力辐射存在的空间实验室。经过近20年坚持不懈的努力，以无可争辩的观测事实，证实了引力波的存在，开辟了引力波天文学的新领域。4 4，毫秒脉冲星，毫秒脉冲星和脉冲双星和脉冲双星 毫秒脉冲星1982年贝克教授和库尔卡尼博士发现的毫秒脉冲星PSR1937+214再一次轰动了全世界。
10、 艰难的发现过程 毫秒脉冲星的发现是天文学家有计划、有目标的观测研究结果。有好几个课题组，经历了好几年，从失败到成功。 休伊什教授未获成功 脉冲星的发现者休伊什教授也进行了努力。目的是要测出到这个射电源辐射中的周期结构。但都无功而返，一无所获。 他在北京天文台做报告时谈到，当时他离成功只有一步之遥，他采用的时间分辨率已是3毫秒。 泰勒和赫尔斯的巡天未发现 这个源处在1974年泰勒和赫尔斯的高灵敏度巡天的天区中，然而并没有发现脉冲星这个脉冲星。 那时的巡天对周期小于60毫秒的脉冲星是不敏感的。 贝克教授和库尔卡尼博士 他们坚信，这个射电源就是脉冲星。他们定出周密的计划，采用世界上最大的射电望远镜
11、，研制消色散能力很强的接收机，特别是使接收系统对非常短的周期灵敏，采用0.5毫秒的时间常数。获得成功 宇宙中的旋转冠军宇宙中的旋转冠军 新发现的毫秒脉冲星PSR1937+214 周期最短 只有1.6毫秒 自转每秒600次！ 又一次出人意料！毫秒脉冲星是新的一类脉冲星毫秒脉冲星是新的一类脉冲星 毫秒脉冲星 正常脉冲星1.6-30毫秒（周期短） 33毫秒8.5秒 1081010（年龄老） 103107 1081010 G（磁场弱） 10111013 G 正常脉冲星的周期越短，年龄越小，磁场越强。而毫秒脉冲星则相反。 毫秒脉冲星的贡献之一毫秒脉冲星的贡献之一 新的一类脉冲星新的一类脉冲星 再加速脉冲
12、星 由射线双星演化而来 有2/3以上的毫秒脉冲星是在球 状星团中发现 双星的比例大 2/3是双星毫秒脉冲星的贡献之二毫秒脉冲星的贡献之二 发现毫秒脉冲星的行星系统发现毫秒脉冲星的行星系统 毫秒脉冲星PSR1257+12 （P=6.2ms） 有两个行星 其一，公转周期66.6天 3.4个地球质量 其二，公转周期为98.2天 2.8个地球质量毫秒脉冲星的贡献之三毫秒脉冲星的贡献之三 可能成为新的标准时间系统可能成为新的标准时间系统 毫秒脉冲星的周期特别稳定 脉冲星PSR 1937+21五年中周期的 随机起伏只有0.3微秒 长期稳定性好于原子钟 可能由多颗毫秒脉冲星组成新的标准钟毫秒脉冲星的贡献之四
13、毫秒脉冲星的贡献之四 可能探测到宇宙早期引力波 宇宙早期引力波的探测，通过引力波对毫秒脉冲星周期特性的影响检测出引力波的存在。毫秒脉冲星的贡献之五毫秒脉冲星的贡献之五 球状星团中心部位的探针球状星团中心部位的探针 大部分毫秒脉冲星处在球状星团之中。在杜鹃座47中已发现20多毫秒脉冲星。 脉冲星众多桂冠头衔： 最典型的全波段恒星 射电、光学、X射线、g 射线 星际空间的探测器 最典型的致密星 磁场最强的恒星 宇宙中旋转冠军 挂在天上的最精确时钟 最成功的引力实验室 理想的高能粒子加速器第七章 要求1，解释下列名词：引力辐射，毫秒脉冲星2，发现毫秒脉冲星的意义3，为什么脉冲双星的发现者能获得诺贝尔物理学奖？4，向泰勒和赫尔斯学习什么？选作题（自愿，考试不要求）：1，利用角动量守恒原理，解释中子星高速自转轴的原因。2, 利用磁通量守恒原理，解释中子星具有特别强的磁场的原因。
