毫秒脉冲星和脉冲双星
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现代天文学
（诺贝尔奖天文学奖项回顾） 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
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
脉冲星的发现
贝尔（博士生） 赫尔斯（博士生） 休伊什教授 泰勒教授
脉冲双星的发现
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 三大预言：
1，光线在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
在星际介质中不同频率 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。
3，引力波源的性质
• 低频波段： 1－10－4 Hz 银河系中短周期双星，长期 大黑洞双星，长期 宇宙初始背景引力波 • 甚低： 10－7 －10－9 • 极低：10－15 －10－18 宇宙初始背景引力波
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。
困难和成功
第一个难点是，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
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：
“ 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。”
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。
百度文库
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 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；
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。
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 2.6 1012 秒/秒。
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
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：1－104 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
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 的发现
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 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。
J.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。
发现“ 怪星”
有一个周期仅0.059秒的脉冲星 PSR1913＋16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。
（诺贝尔奖天文学奖项回顾） 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
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
脉冲星的发现
贝尔（博士生） 赫尔斯（博士生） 休伊什教授 泰勒教授
脉冲双星的发现
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 三大预言：
1，光线在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
在星际介质中不同频率 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。
3，引力波源的性质
• 低频波段： 1－10－4 Hz 银河系中短周期双星，长期 大黑洞双星，长期 宇宙初始背景引力波 • 甚低： 10－7 －10－9 • 极低：10－15 －10－18 宇宙初始背景引力波
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。
困难和成功
第一个难点是，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
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：
“ 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。”
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。
百度文库
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 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；
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。
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 2.6 1012 秒/秒。
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
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：1－104 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
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 的发现
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 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。
J.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。
发现“ 怪星”
有一个周期仅0.059秒的脉冲星 PSR1913＋16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。