脈衝雙星 演講者: Fai, Eric, Kevin

簡介

問題 這個雙脈衝星系統有何特別? 它為何這麼值得講?

三大原因 曾為約瑟泰來(Joseph Taylor)及羅素曉斯(Russell Hulse)贏得1993年諾貝爾物理學獎 間接證實了愛因斯坦的廣義相對論所預測的引力效應 廣義相對論徹底改變了近300年人們對引力和時空等概念的看法

內容 中子星及脈衝星 雙星系統 多普勒效應 脈衝雙星 廣義相對論及引力波

中子星與脈衝星 By Eric

甚麼是中子星? 恆星如同人一樣也有生與死；恆星由生到死這個過程被稱為「恆星演化」。 中子星就是「恆星演化」其中一個結果。

中子星如何形成? [1] 當一顆質量相當於4至8倍太陽質量的恆星到達「恆星演化」的最後階段時，通常會以「超新星爆炸」來結束它的一生。

超新星爆炸

中子星如何形成? [2] 超新星爆炸後，恆星的核心不一定會被摧毀。 當恆星核心的質量比太陽質量1.4倍高而比太陽質量3倍低，恆星核心便會演化成中子星。

中子星有何特別? [1] 在中子星內重力非常大，大得可以令質子和電子融合成中子。

中子星有何特別? [2] 由於中子星已是「恆 星演化」的盡頭，所 以不會像太陽般發光。 中子星的體積很小，直徑不超過 30 公里，不過質量卻超過太陽!

中子星有何特別? [3] 一個太陽質量的中子星的直徑大概有10公里。

中子星有何特別? [4] 由於中子星體積小、質量大，它的密度也大得驚人。 一立方公分的中子星物質，竟重達10億多噸！ 綠豆般大小的東西要1萬 艘萬噸輪船才承受得起

中子星的例子 [1] 一顆距離地球最近的中子星，位於南冕座。 這顆中子星的密度是鋼鐵的一百億兆倍!

中子星的例子 [2] 蟹 狀 星 雲 中 的 中 子 星。 中間兩顆亮星中靠左的那一顆就是中子星，直徑約為10公里，質量約與太陽相當。

甚麼是脈衝星? [1] 脈衝星其實就是高速旋轉的中子星。 由於中子星的體積 細小，兩極的磁場 被強烈的擠壓，形 成了兩極強大的輻 射和噴流現象。

脈衝星是如何被發現? [1] 1967年，英國劍橋大學的研究生約塞琳‧貝爾 (Jocelyn Bell) 從外太空接收到一連串有規律的電波脈衝，從而發現脈衝星。

脈衝星是如何被發現? [2] 低頻脈衝

中頻脈衝

高頻脈衝

脈衝星是如何被發現? [3] 他們起初不知道是脈衝星的訊號，還以為是外星人的訊息，並給了脈衝星一個有趣的名字─「小綠人」( Little Green Men )。

脈衝星有何特別? [1] 脈衝星放射脈衝的周期 極為穩定，足以與世界 上最好的原子鐘相媲美。 至今已發現350多個脈衝星，脈衝訊號的週期多在0.0016-4秒之間。

脈衝星有何特別? [2] 不同的脈衝星會放射出不同的電磁波，例如無線電波、紅外線、x光等。

燈塔效應(lighthouse effect) [1] 由於脈衝星只向兩極的方向放射電磁波，所以只有在被它放射的電磁波的範圍掃過的地方才可以探測到脈衝星的訊號。 這使到脈衝星就像 宇宙之中的燈塔。

燈塔效應(lighthouse effect) [2] 脈衝星的結構

燈塔效應(lighthouse effect) [3] 模擬脈衝星的運動

雙星系統

雙星系統 [1] 太陽是一顆單獨存在的恆星; 雙星系統由兩顆星組成，並圍繞共質心運行； 雙星系統在宇宙中十分普遍，近一半以上的恆星屬於雙星系統； 例子：天狼星及其伴星﹝白矮星﹞；

雙星系統 [2] 開普勒定律： 模擬程式 恆星圍繞質心公轉，質心位於恆星橢圓軌道的其中一個焦點上，兩顆星連成的直線穿過質心; 恆星愈接近質心，運行速度愈快; 恆星和質心的平均距離愈大，公轉週期愈長; 模擬程式

脈衝雙星 [1] 由約瑟泰來及羅素曉斯於1974年利用位於阿雷西博的射電望遠鏡發現； PSR1913 + 16

脈衝雙星 [2] 部分脈衝較其他脈衝早3秒到達； 顯示有伴星存在；

多普勒效應

現實經驗 當一架警車經過的時候, 它迎面過來所發出的聲波是比它離開時所發出的為高 走音??

多普勒效應 其實這只是一個簡單的自然現象 這個效應不只發生在聲波上, 所有的波都有這現象 效應是源自波的發射器與接收器之間的相互運動

多普勒效應 當發射器與接收器之間有一個相互接近的運動時 當運動是相互離開時 我們所接收到的波長會下降 頻率和音高會上升 波長會上升 頻率和音高會下降

多普勒效應

多普勒效應 當同樣的現象發生在這個雙星系統時 我們就是接收器 那個雙星系統就是發射器 這就能解釋為何我們所接收到來自那個雙星系統的訊號是有不同的頻率

記住!! 當下次有人在車上唱歌經過你的時侯, 千萬不要以為他走音

脈衝雙星 [3] PSR1913 + 16 自轉週期為59毫秒，即每秒自轉17次； 公轉週期為7.75小時； 質量約為1.4倍太陽質量； 300 km/s 75 km/s 745,000 km 3,154,000 km M = 1.4 Msun R = 10 km

脈衝雙星 [4] 進動(Precession) 水星: 每世紀1.56 度 PSR1913+16: 每年4.2度 Java animation

廣義相對論及引力波 [1] 公轉週期每年減少75微秒 (一微秒是等於一百萬分之一秒); 觀測數據 理論預測

廣義相對論及引力波 [2] 軌道每年縮減3.1毫米;

廣義相對論及引力波 [3] 恆星釋放引力波並損失能量； 兩顆星沿螺旋形的軌道緩慢地接近對方，最後(3億年後)發生碰撞，產生伽瑪射線爆發 (gamma ray burst)，有可能形成黑洞並釋放大量引力波;

廣義相對論及引力波 [4] 引力波 愛因斯坦場方程中的其中一個解; 物質令時空彎曲，當物質在彎曲的時空中移動時，會產生擾動，即引力波; 引力波前進時會不斷衰退，變得非常微弱，因此難於探測; 以光速前進，並穿過物質;

廣義相對論及引力波 [5]

廣義相對論及引力波 [6] 引力波探測 LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) LISA

鳴謝（排名不分先後） 香港科技大學物理系 香港科技大學教學促進中心 王國彝博士 姜弋先生 陳志華先生 李穎思小姐 方楊維美女士 夏德誠先生 http://physics.ust.hk/genphys/Mini-lecture/mini-lectures.htm

References The Binary Pulsar PSR 1913+16 (Cornell University) Binary Pulsar Animation Gravitational Wave