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什么是精确性?在4500光年之外,可以测量中子星的几微米形变

你能想象出,测量距离我们约4500光年的中子星大小有多难吗?这是一个令人难以置信的测量,就像细菌是如此的小,以至于需要显微镜才能看到它,而且光可以在短短一秒内传播30万公里,4500年内可以传播的距离是多么的遥远。但是,从塔塔基础研究所(TIFR)的苏迪普·巴塔查里亚教授的研究中,现在已经能推断出中子星大小的几微米变形,即在一个方向上额外增加几微米的厚度。

这适用于大约4500光年远的中子星,其研究发表在《皇家天文学会月刊》。中子星是密度高得令人难以置信的宇宙天体(恒星中的一种),中子星直径大约有一座城市那么大,但包含的物质甚至比太阳还多。其中一些被观测到每秒自转几百次,我们称之为毫秒脉冲星(中子星的一种)。这样一颗中子星的自旋轴周围稍有不对称或变形,就会导致引力波的持续发射。

引力波是时空中的涟漪,为天文学家宇宙的探索提供了一个新窗口。但到目前为止,引力波被发现是黑洞和中子星合并的瞬时现象。到目前为止,还没有探测到连续的引力波,例如来自轻微变形和旋转中子星的引力波。如果变形太小,目前的仪器可能没有能力探测到这些引力波。然而,间接推断引力波并测量这种形变的一种方法是:估计引力波对脉冲星自旋下降速率的贡献,这到目前为止是不可能的。

PSR J1023+0038是一个独特的宇宙源,因为它是唯一一颗毫秒脉冲星,在伴星的质量转移阶段和没有质量转移阶段,测量到了两个自旋下降速率。科学家利用这些值,主要是物理学的一个基本原理,即角动量守恒,推导出连续的引力波,并估计了中子星的几微米的微观变形。一颗具有椭圆度的毫秒脉冲星,也就是围绕其自旋轴的非对称质量分布,可以发出到目前为止还没有被探测到的连续引力波。推断这种波的一种间接方法是估计波对脉冲星自旋减速的贡献。

脉冲星PSR J1023+0038对于这一目的来说是理想而独特的,因为这是唯一一颗在吸积态和非吸积态都测量到自旋下降率的毫秒脉冲星。根据完整的力矩平衡方程和两种状态下观测到的γ射线脉冲星磁层起源,推导出由于脉冲星的永久椭圆性,PSRJ1023+0038应该发出引力波,还以一种自洽的方式解释了这个来源的其他一些主要观测方面。作为一个例子,推断出吸积盘穿透脉冲星磁层,并用标准和公认的情景解释了观测到吸积态的X射线脉动。

这反过来又推断出吸积态的脉冲星自旋向下能量更大,研究解释了在这种状态下观察到的更大的γ射线发射。探索了脉冲星PSRJ1023+0038的大范围参数值,在不假定吸积态有额外椭圆度来源的情况下,发现脉冲星的质量四极矩失准。

博科园|研究/来自:塔塔基础研究所

参考期刊《皇家天文学会月刊》

DOI: 10.1093/mnras/staa2304

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