毫秒脉冲星和脉冲双星课件

现代天文学

（诺贝尔奖天文学奖项回顾）讲授提纲

现代天文学1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第七章脉冲双星和毫秒脉冲星21，引力波的预言1，引力波的预言3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脉冲星三大发现4

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）贝克教授师生合作的典范5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。爱因斯坦广义相对论的6广义相对论的又一预言

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。

广义相对论的又一预言7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：1－104Hz

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的特点83，引力波源的性质

低频波段：1－10－4Hz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3，引力波源的性质9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。引力波探测器：10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引力波通过对时空的影响而被测到11所有探测器都没有探测到引力波所有探测器都没有探测122，射电脉冲双星的发现2，射电脉冲双星13

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”。J.泰勒141973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。1973年J.泰勒教授新的15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。赫尔斯16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；脉冲星观测发现较多的17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。在星际介质中不同频率18

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。消色散接收机19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。赫尔斯旗开得胜20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。”

赫尔斯说：21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。发现“怪星”22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。原来是双星23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。好运气！243，引力辐射的验证3，引力辐射的25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。理想的引力实验室26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。困难和成功27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。奋斗20载，验证引力波28

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秒/秒。特殊的引力实验室29赫尔斯和泰勒获1993年诺贝尔物理学奖赫尔斯和泰勒获301993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。1993年赫尔斯和泰勒因发现射电脉314，毫秒脉冲星和脉冲双星4，毫秒脉冲星32

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。毫秒脉冲星33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。艰难的发现过程34

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。休伊什教授未获成功35

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。泰勒和赫尔斯的巡天未发现36

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，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。获得成功贝克教授和库尔卡尼博士37

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！宇宙中的旋转冠军38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108～1010（年龄老）103～107

108～1010G（磁场弱）1011～1013G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。毫秒脉冲星是新的一类脉冲星39毫秒脉冲星的贡献之一

新的一类脉冲星再加速脉冲星由Ｘ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一40毫秒脉冲星的贡献之二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二41毫秒脉冲星的贡献之三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PSR1937+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三42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四43毫秒脉冲星的贡献之五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。毫秒脉冲星的贡献之五44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脉冲星众多桂冠头衔：45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？第七章要求46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。

选作题（自愿，考试不要求）：47现代天文学

（诺贝尔奖天文学奖项回顾）讲授提纲

现代天文学48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第七章脉冲双星和毫秒脉冲星491，引力波的预言1，引力波的预言50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脉冲星三大发现51

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）贝克教授师生合作的典范52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。爱因斯坦广义相对论的53广义相对论的又一预言

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。

广义相对论的又一预言54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：1－104Hz

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的特点553，引力波源的性质

低频波段：1－10－4Hz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3，引力波源的性质56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。引力波探测器：57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引力波通过对时空的影响而被测到58所有探测器都没有探测到引力波所有探测器都没有探测592，射电脉冲双星的发现2，射电脉冲双星60

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”。J.泰勒611973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。1973年J.泰勒教授新的62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。赫尔斯63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；脉冲星观测发现较多的64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。在星际介质中不同频率65

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。消色散接收机66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。赫尔斯旗开得胜67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。”

赫尔斯说：68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。发现“怪星”69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。原来是双星70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。好运气！713，引力辐射的验证3，引力辐射的72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。理想的引力实验室73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。困难和成功74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。奋斗20载，验证引力波75

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秒/秒。特殊的引力实验室76赫尔斯和泰勒获1993年诺贝尔物理学奖赫尔斯和泰勒获771993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。1993年赫尔斯和泰勒因发现射电脉784，毫秒脉冲星和脉冲双星4，毫秒脉冲星79

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。毫秒脉冲星80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。艰难的发现过程81

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。休伊什教授未获成功82

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。泰勒和赫尔斯的巡天未发现83

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，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。获得成功贝克教授和库尔卡尼博士84

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！宇宙中的旋转冠军85毫秒脉冲星是新的一类脉冲星

毫秒脉冲星