第47章 PSR J0737－3039（1/2）

psr j0737-3039（中子星）

· 描述：唯一的双脉冲星系统

· 身份：位于船尾座的双中子星系统，距离地球约2,000光年

· 关键事实：两个中子星都是脉冲星，轨道周期仅2.4小时，为检验广义相对论提供了完美的天然实验室。

psr j0737-3039：宇宙中最精准的“引力波时钟”（上篇）

引言：从单脉冲星到双脉冲星——一场等待了36年的“引力实验”

1967年，剑桥大学的乔斯林·贝尔（jocelyn bell）和安东尼·休伊什（antony hewish）在射电望远镜数据中发现了一种周期性脉冲信号——频率精确到毫秒级，仿佛宇宙中传来的“灯塔光束”。这就是人类发现的第一颗脉冲星，而它的本质很快被揭示：高速旋转的中子星——大质量恒星坍缩后留下的致密残骸，直径仅约10公里，质量却可达1-2倍太阳，引力场强到能把时空拧成“麻花”。

脉冲星的发现，为物理学家提供了一个梦寐以求的“宇宙时钟”：其自转周期的稳定性远超地球上最精密的原子钟（部分脉冲星的计时误差每百万年仅数秒）。但对于广义相对论（爱因斯坦描述引力的理论）而言，单颗脉冲星的意义有限——它只能在弱引力场中检验理论的部分预言（如引力红移）。物理学家真正渴望的，是一个双中子星系统：两颗中子星绕共同质心旋转，既能通过引力波辐射损失能量（广义相对论的核心预言之一），又能用两颗“宇宙时钟”的相互作用，对理论进行强场检验。

1974年，拉塞尔·赫尔斯（russell hulse）和约瑟夫·泰勒（joseph taylor）发现了首个射电脉冲星双星系统——psr b1913+16。这是一颗脉冲星与一颗“隐形”中子星组成的系统，轨道周期7.75小时。通过追踪脉冲星的计时残差，他们发现轨道正在以广义相对论预言的速率衰减（每年缩短约76微秒），首次间接证明了引力波的存在。这一发现让赫尔斯和泰勒获得了1993年诺贝尔物理学奖，但也留下了遗憾：另一颗天体是中子星而非脉冲星，我们无法直接观测它的脉冲信号，导致许多参数（如两颗天体的自旋、轨道倾角）无法精确测量。

直到2003年，这个遗憾被填补。澳大利亚联邦科学与工业研究组织（csiro）的帕克斯射电望远镜（parkes radio telescope）团队，在船尾座方向发现了一个双脉冲星系统——两颗中子星都是可观测的脉冲星。它被命名为psr j0737-3039（或简称“双脉冲星”），瞬间成为全球天体物理学家的“掌上明珠”。《自然》杂志在同期封面文章中写道：“这不是一颗脉冲星，而是广义相对论的‘终极实验室’。”

一、发现之旅：帕克斯望远镜的“脉冲狩猎”

psr j0737-3039的发现，源于帕克斯望远镜的“脉冲星巡天计划”——这是人类历史上最系统、最灵敏的脉冲星搜索项目之一。自1968年以来，帕克斯望远镜一直在扫描银河系的射电波段，寻找脉冲星的“周期性闪烁”。

1. 脉冲星的“指纹”：计时观测的艺术

脉冲星的信号之所以能被识别，源于其极高的自转稳定性。对于单颗脉冲星，天文学家会用射电望远镜记录其脉冲到达地球的时间（“计时”），并通过拟合得到一个“时间模型”——包括自转周期、周期变化率（自转减速，因脉冲星释放磁偶极辐射）、轨道参数（若为双星系统）。正常情况下，计时残差（实际到达时间与模型预测的偏差）应是随机的白噪声。但如果存在未被发现的伴星，残差会出现周期性的“漂移”——因为伴星的引力会轻微改变脉冲星的轨道速度，进而影响脉冲到达时间。

对于双脉冲星系统，情况更复杂：两颗脉冲星都在旋转，都在发射脉冲。如果轨道平面恰好“面向”地球（轨道倾角接近90度），我们就能同时接收到两颗脉冲星的信号——它们的脉冲会交替出现，形成“双脉冲序列”。但要识别这种现象，需要计时精度达到微秒级（1微秒=10??秒），甚至纳秒级（10??秒），因为两颗脉冲星的周期差异很小（比如psr j0737-3039的两颗脉冲星周期分别为1.337秒和2.8秒）。

2. 从“残差异常”到“双脉冲星确认”

2003年4月，帕克斯望远镜的脉冲星巡天项目组正在分析船尾座天区的数据。研究员安德鲁·莱恩（andrew lyne）和迈克尔·克莱顿（michael kramer）注意到，一颗编号为“j0737-3039”的脉冲星，其计时残差出现了周期性的“双峰”结构——每隔约1.6天，残差会突然偏移，然后再回到原位。更奇怪的是，这种偏移的幅度在逐渐变化，仿佛有另一颗天体在“调制”脉冲星的轨道。

为了验证猜想，团队调整了观测策略：增加对j0737-3039的观测频率（从每周一次改为每天一次），并使用更高带宽的接收机提高计时精度。几周后，他们终于捕捉到了第二颗脉冲星的信号——一颗周期为2.8秒的脉冲星，其脉冲到达时间与j0737-3039的轨道周期严格同步。

进一步的分析证实了这是一个双脉冲星系统：

主脉冲星（命名为a星）：自转周期1.337秒，脉冲宽度约10毫秒，色散量（dm，反映星际介质电子密度）为16.8 pc\/cm3；

伴脉冲星（命名为b星）：自转周期2.8秒，脉冲宽度约20毫秒，dm与a星一致（说明两者在同一星际介质环境中）；

轨道周期：仅2.4小时（8640秒），是已知双中子星系统中最短的；

轨道偏心率：0.088（接近圆形轨道）；

轨道倾角：约90度（几乎正面朝向地球）。

这一发现立即引发了轰动。2003年11月，《自然》杂志以封面文章发表了莱恩和克莱顿的研究，标题直截了当：《a double pulsar system: a rareboratory for rtivistic gravity》（《双脉冲星系统：相对论引力的稀有实验室》）。

二、系统解剖：两颗中子星的“亲密舞蹈”

psr j0737-3039的核心魅力，在于它提供了两个可独立观测的“宇宙时钟”。通过分析两颗脉冲星的计时数据，天文学家能精确测量系统的每一个参数，甚至“触摸”到广义相对论的强场效应。

1. 基本参数：紧凑到极致的“死亡双星”

双脉冲星的基本属性，比任何理论模型都更接近“极端”：

质量：a星质量约1.337倍太阳质量（m☉），b星约1.250 m☉——两者都接近中子星的质量上限（约2 m☉，由奥本海默-沃尔科夫极限决定）；

轨道半长轴：仅约1.9x10?公里（约为地球到太阳距离的1.3%）；

轨道速度：两颗中子星绕质心旋转的速度高达约300公里\/秒——相当于每秒钟绕地球赤道跑75圈；

自旋-轨道耦合：a星的自转轴与轨道平面法线的夹角仅约4度，b星约14度——这种“近极化”自旋，让测地线进动（见下文）的效应更显着。

如此紧凑的轨道，意味着两颗中子星的引力场强烈交织：a星表面的引力加速度约为地球的1012倍，而b星感受到的a星引力，是地球感受太阳引力的10?倍——这正是检验广义相对论“强场预言”的理想环境。

2. 掩食现象：中子星的“大小尺子”

由于轨道倾角接近90度，两颗中子星会周期性地“掩食”对方的脉冲信号：当b星运行到a星与地球之间时，a星的脉冲会被b星遮挡（“主掩食”）；当a星运行到b星与地球之间时，b星的脉冲会被a星遮挡（“次掩食”）。

掩食的持续时间，直接反映了中子星的大小和形状。通过分析psr j0737-3039的掩食数据，天文学家发现：

主掩食持续约30秒，占总轨道周期的0.2%；

次掩食持续约10秒，占轨道周期的0.07%；

掩食的“边缘”非常锐利——说明中子星的形状接近完美的球体（偏差小于1公里）。

结合广义相对论的“潮汐变形”理论（大质量天体因引力潮汐会轻微变形），研究团队推断：中子星的半径约为10-12公里——这与理论预言的中子星“硬核”模型完全一致。更重要的是，掩食数据排除了中子星是“夸克星”（一种假设的更致密天体）的可能性——若中子星是夸克星，半径会更小（约8公里），掩食时间会更长，与观测不符。

3. 脉冲轮廓的变化：“引力透镜”下的时空扭曲

除了掩食，两颗脉冲星的脉冲轮廓（脉冲强度随时间的分布）也在不断变化。当一颗脉冲星运行到另一颗的“引力透镜”区域内时（即其引力场弯曲了对方的脉冲信号），脉冲的到达时间和形状会发生微小改变。

例如，a星的脉冲穿过b星的引力场时，会发生夏皮罗延迟（shapiro dy）——信号在强引力场中传播的时间被延长。根据广义相对论，夏皮罗延迟的公式为：

\\delta t_{\\text{shapiro}} = \\frac{2gm}{c^3} \\ln\\left(1 + \\frac{x}{\\sqrt{x^2 - b^2}}\\right)

其中，g 是引力常数，m 是透镜天体的质量，c 是光速，x 是信号路径与透镜天体中心的距离，b 是 impact parameter（信号路径与透镜天体中心的最近距离）。

通过测量a星脉冲穿过b星引力场的夏皮罗延迟，天文学家精确测定了b星的质量（1.250 m☉），误差仅0.004 m☉——这是人类历史上对中子星质量最精确的测量之一。同样，b星脉冲穿过a星引力场的延迟，也让a星的质量误差缩小到0.002 m☉。

三、广义相对论的“终极检验”：四个关键预言的验证

psr j0737-3039的价值，在于它能同时对广义相对论的四个强场预言进行检验——这是单脉冲星系统或赫尔斯-泰勒脉冲星无法做到的。

1. 引力波辐射导致的轨道衰减

广义相对论预言，加速运动的大质量天体会辐射引力波，从而损失能量，导致轨道周期缩短。对于双中子星系统，轨道周期变化率\\dot{p}_b的公式为：

\\dot{p}_b = -\\frac{192\\pi^3 g^{5\/3} m_1 m_2 (m_1 + m_2)^{1\/3}}{5 c^5 a^{5\/3} (1 - e^2)^{7\/2}}

其中，a 是轨道半长轴，e 是偏心率。

对于psr j0737-3039，代入参数后，理论预言的\\dot{p}_b约为-2.4x10^{-12}（负号表示周期缩短）。通过观测两颗脉冲星的计时残差，天文学家测得的\\dot{p}_b约为-2.37x10^{-12}——误差仅1.25%，与理论完全吻合。

更关键的是，这个测量比赫尔斯-泰勒脉冲星的精度高了10倍。赫尔斯-泰勒的\\dot{p}_b测量误差约为5%，而psr j0737-3039的误差小到足以检测到“引力波反作用”的微小效应——即引力波辐射不仅会让轨道衰减，还会轻微改变两颗中子星的自旋方向。

2. 测地线进动：自转轴的“引力摇晃”

广义相对论预言，当一颗天体处于另一颗大质量天体的引力场中时，其自转轴会绕着共同的质心进动（类似陀螺因重力而摇晃）。对于双脉冲星系统，这种“测地线进动”会导致：

脉冲星的脉冲轮廓发生变化（因为自转轴的指向在改变）；

轨道平面的方向发生微小旋转（“轨道进动”）。

通过分析两颗脉冲星的脉冲到达时间变化，天文学家测得：

a星的自转轴进动速率约为16.9度\/年；

b星的自转轴进动速率约为3.2度\/年。

这些数值与广义相对论的预言完全一致，误差仅约2%。更重要的是，测地线进动的测量让天文学家首次直接观测到中子星的自旋与轨道角动量的耦合——这是理解双中子星合并前动力学的关键。

3. 夏皮罗延迟：“引力场中的时间膨胀”

如前所述，夏皮罗延迟是引力场导致脉冲信号传播时间延长的现象。对于psr j0737-3039，两颗脉冲星互相穿过对方的引力场，因此会产生双向夏皮罗延迟：

a星脉冲穿过b星引力场的延迟：约10微秒；

b星脉冲穿过a星引力场的延迟：约15微秒。

通过测量这两个延迟，天文学家不仅精确测定了两颗中子星的质量，还验证了广义相对论中“引力场的时间膨胀”效应——即引力场越强，时间流逝越慢。这种双向测量，是之前任何系统都无法实现的。

4. 轨道平面进动：广义相对论的“几何印记”

双脉冲星系统的轨道平面并非固定不变——它会因两颗中子星的引力相互作用而进动。根据广义相对论，轨道平面进动速率\\dot{\\omega}的公式为：

\\dot{\\omega} = \\frac{3 g^{3\/2} m_1 m_2 (m_1 + m_2)^{1\/2}}{2 c^2 a^{3\/2} (1 - e^2)^2}

对于psr j0737-3039，理论预言的\\dot{\\omega}约为0.016度\/年。通过观测两颗脉冲星的轨道相位变化，天文学家测得的\\dot{\\omega}约为0.0158度\/年——误差仅1.25%，再次验证了广义相对论的预言。

四、超越广义相对论：寻找“新物理”的线索

尽管psr j0737-3039的观测结果与广义相对论高度吻合，但它也为寻找“新物理”提供了机会。例如：

修正引力理论：某些修正引力理论（如弦理论的低能近似）预言，引力波的传播速度会略慢于光速，或存在额外的“标量场”。psr j0737-3039的轨道衰减和夏皮罗延迟测量，可以限制这些理论的参数空间；

暗物质的影响：如果银河系中存在大量暗物质晕，暗物质的引力会轻微改变双脉冲星的轨道参数。通过长期观测psr j0737-3039的轨道变化，天文学家可以限制暗物质的密度分布；