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消失的脉冲星射电辐射验证广义相对论

2019-9-9 环球解密

科学家利用脉冲星磁极发出的射电辐射,检验了极端物理条件下的广义相对论效应。这篇论文发表于2019年9月6日的《科学》杂志。

脉冲星示意图。

脉冲星是快速旋转的中子星,其质量略大于太阳,但是直径仅约20公里,是一种非常致密的天体。 它们具有极强的磁场,并沿其磁轴在其相对的磁极上方发射一束射电波。 由于它们的自转非常稳定,发射的射电辐射就像灯塔旋转一样造成脉冲。

由于脉冲星磁场极强并且非常致密,天文学家尝试利用其测定极端物理条件下的广义相对论效应。

研究观测的目标是一颗年轻的脉冲星,编号为PSR J1906+0746,旋转周期为144毫秒。它同时围绕着另一颗中子星公转,周期大约4小时,其轨道非常接近银河系的平面。

“PSR J1906+0746是一个独特的实验室,我们可以同时测定射电脉冲发射机制并测试爱因斯坦的广义相对论。”文章第一作者、德国马克斯普朗克射电天文学研究所(MPIfR)的研究员五十度灰戈里·德云(Gregory Desvignes)说。

该研究小组使用305米的Arecibo射电望远镜,以1.4GHz的频率在2012年至2018年持续观测这颗脉冲星,并且补充了2005年至2009年间Nançay和Arecibo射电望远镜的档案数据。最终,研究小组获得了从2005年7月到2018年6月的47个时间段观测数据。

研究小组注意到,一开始脉冲星南北两极的脉冲都是可见的,每个周期北极和南极光束都会指向地球一次。随着时间的推移,北极光束消失,只有南极光束仍然可见。通过分析辐射的偏振信号,研究小组测定了脉冲星的几何结构。这些结论完美符合广义相对论的预测。

“Pulsars可以提供独特的引力测试,”该研究的合作者、加拿大不列颠哥伦比亚大学(University of British Columbia)的英格瑞德﹒史泰尔斯(Ingrid Stairs)教授说,“这项研究就是一个很好的例子。”

此外,该团队可以预测PSR J1906+0746两极射电光束的消失和再现。南极光束将在2028年左右从视线中消失,并在2070年至2090年之间重新出现。北极光束将在2085年至3105年左右再次出现。

这项为期14年的实验还为脉冲星本身的物理机制提供了令人兴奋的新信息。该团队意识到我们的视线已经越过了南北方向的磁极,不仅可以收到磁极光束,还可以研究磁极上方的射电发射条件。

“令人非常欣慰的是,几十年后,我们的视线首次穿过脉冲星的磁极,证明了1969年提出的模型的有效性,”文章合作者、北京大学科维理天文学和天体物理学研究所(Kavli Institute for Astronomy and Astrophysics)的李柯伽教授解释道,“而光束形状本身却是意外地不规则。”

“我们花了很长时间才完成实验,”MPIfR的射电天文学基础物理学研究部主任迈克尔﹒克莱默(Michael Kramer)总结道:“可惜的是,现在学术界都追求快速出成果。而这个脉冲星研究教给我们很多,耐心和勤奋真的得到了回报。”

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