宇宙的“时钟”——脉冲星，探测爱因斯坦百年前的引力波

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神奇的中子星

在浩瀚无边的宇宙中，有着数量让我们难以想象的天体。一些数量的天体又组成了大小不一的系统，比如太阳系、银河系等。而天体的种类也是大不相同，仅仅在我们的太阳系中就有恒星、行星、彗星等。太阳是我们太阳系锂唯一的一颗恒星，也是我们地球能量的来源。恒星是宇宙中很复杂的天体，它们的质量差别巨大，不同质量的恒星，生命周期内的演化也会有很大的不同，有些恒星会在即将灭亡时形成中子星。

中子星

中子星一般体积都很小，难以直接观察到。但是在1932年人们发现了中子之后，苏联的物理学家列夫·朗道就提出了中子星的概念。他预言中子星会是一个质量与太阳差不多，但是直径仅仅是30km的超高密度星体，它的密度高到每立方厘米一亿吨。两年后，德国天文学家巴德和瑞士天文学家兹维基认为，当超新星的核心向内坍缩时，由于巨大的压力使内部的原子核全部都被压碎，核内的质子和电子相互撞击变成了中子，从而形成了中子星。

中子星的引力十分巨大，如果在适当的位置抛下一个硬币，那么当它到达中子星表面时，它的速度可能会达到光速的一半。如果有一种生物会生活在中子星上，那么它一定是又扁又矮才行。因为向上一点点儿，就要克服巨大的引力。

发现脉冲星

在1943年，一位名叫乔丝琳·贝尔的女孩儿出生在了北爱尔兰，她从小就对天文学产生了极大的兴趣。她在格拉斯哥大学学习物理期间，曾是班里50个学生中唯一的女生，后来又继续到剑桥大学学习，获得了射电天文学博士学位。

安东尼·休伊什

1967年她在剑桥当研究员的一天，她观察到了一次异常的闪光。她把这件事情跟她的导师休伊什做了汇报，她的导师鼓励她继续跟踪这个奇怪的现象。一个月过去了，她始终没再看到什么，但过后，那怪事情又开始出现了。这次观测发现它每3/4秒闪一次，十分精准。她和她的导师将这个现象发表了出去，但是当时他们并不知道这是什么。英国天文学家托马斯·戈尔德马上明确指出这就是快速旋转的中子星，并命名为脉冲星。她的导师安东尼·休伊什因发现了脉冲星而获得了1974年的诺贝尔物理学奖。贝尔却与诺贝尔奖擦肩而过，她在发现了脉冲星后开始了进一步对X射线和γ射线天文学的研究。目前，她回到了格拉斯哥大学当教授，她希望更多的女性能够加入到研究物理的行列中来。

宇宙中的"时钟"

正如托马斯·戈尔德所说，脉冲星就是快速旋转的中子星。由于自转的速度非常快，所以它可以产生极强的磁场。中子星的自转轴与其偶极磁场的对称轴存在一定的夹角，快速旋转的磁场使带电粒子加速。大量的电子陷入磁场的漩涡中，在这个巨型粒子加速器中沿着电力线被加速、弯曲，进一步使周围产生大量的高能辐射。这样在磁轴周围就会产生中心辐射束，它与自转轴也有一定的夹角。由于中子星沿着自转轴旋转，所以辐射束会周期性地扫过太空，从地球上观测就会发现是周期性的闪光脉冲。

中子星产生的磁场与辐射

到目前为止，我们已经发现了至少1620颗脉冲星。截止到2002年，共有75颗脉冲星脉冲周期在15~25毫秒之间。其中有PSR1913+16（1.667毫秒，600次/秒）和PAR1937+214（1558毫秒，642次/秒）这两颗脉冲星的周期十分稳定，它们比我们现在最精准的原子钟还要精确。

双星和引力波

PSR1913+16是在1974年由美国的两位天文学家，泰勒和赫尔斯发现的。这颗脉冲星比较特别，在它的"主旋律"之上还有一个小小的"颤音"。这是因为其实它不是一颗脉冲星，而是一对星。这个"颤音"就是由脉冲星的伴星（非脉冲星的中子星）来回运动产生的。它们的轨道半径大概是地月的间距，公转周期为8小时。泰勒和赫尔斯通过长时间的观察发现，这两颗星随着时间的推移，它们之间的间距在不断减小，旋转的速度也就加快了。

中子星——伴星（正常物质星）

这个"脉冲双星"形成了一个非常理想的实验室，这使得人们首次观测到了爱因斯坦预言的引力波效应，由于这两颗星之间距离很近，同时具有很强大的引力，导致它们之间的时空里产生了微小的涟漪。如同正负点电荷间的振荡运动会发射出电磁波，双星系统发出的引力波会使系统的能量减少，轨道变小，绕转周期变小，频率变大。泰勒和赫尔斯因此获得了1993年的诺贝尔物理学奖，这也是有关发现脉冲星的第二个诺贝尔奖。

美国激光干涉引力波天文台（LIGO）

密度极大的双星系统的相对运动会导致脉冲周期随时间改变，通过观测变化就可以检测出引力波。引力波是爱因斯坦在1916年基于他的广义相对论推导出来的，只是一直无法得到证实。在2015年9月14日，LIGO宣布探测到了第一个引力波。直到2017年10月才探测到了第一个来自双星的引力波。

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