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熟悉G 117-B15A:宇宙中最稳固的光学钟

Allbet登录网址 2021年08月23日 科技 22 0

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简介:在银河系中距离我们不远有一颗死星的遗骸(G 117-B15A)。它每隔215.19738823秒(跨越三分半钟)就以很小的幅度脉动。自1974年以来,天文学家就对这些脉冲举行了丈量,他们考察到这一周期异常的稳固。若是将这些脉动用作时钟,则每620万年仅损失一秒钟。

图解:离我们最近的白矮星是天狼星B,其质量与太阳相当,但体积仅与地球相当。要知道,太阳直径可比地球大一百多倍。图源:原文。

在离我们187光年的地方――在银河系的尺度下并不算很远――有一颗基本已经住手流动的恒星。它曾经也跟太阳一样,甚至可能曾有快要六倍于太阳的质量,然则在四亿年前它照样走完了作为主序星的阶段。它先膨胀成了一颗红巨星,继而抛射出了它的外层物质。最终,它失去了太多物质而将自己又热又致密的焦点部门露出在外。

这类天体被叫做白矮星(white dwarf)。宇宙中约90%的恒星最终都将演化成为白矮星。然则,这个被称为G 117-B15A的白矮星是很特殊的一颗,它可能是人类所考察到的最稳固的光学钟。它的亮度信号存在纪律的脉冲,其光度每215.19738823秒(比三分半稍微久一点点)就稍微地改变一次。天文学家们自1974年就最先考察这些脉冲,发现脉冲周期有异常细小的延伸。这个延伸有多小呢?若是你用这些脉冲信号来计时,那么每620万年它只会发生一秒的误差。

图解:天狼星系统的哈勃图像:天狼星A(中央)及其白矮星伴星B(左下方);AB亮约莫10000倍。这是距离太阳最近的双星系统之一。图源:原文。

这个钟走得相当准,是个好钟无疑了。

从某种角度上说,白矮星是个简明的系统,它们不会自己发生能量,只是呆在宇宙中随时间流逝而缓慢冷却。不外从另一种角度上说,白矮星也是相当庞大的天体,由于它们的密度太大了――每立方厘米的质量可有一吨甚至更多――以至于量子力学原理在它们的结构中起主要的作用。

白矮星中有一类被称为DA型白矮星,它们的大气身分主要是氢气。若是它们的外面温度恰幸亏12000摄氏度左右,那么它们的亮度会有较严酷的周期性转变。只管转变的幅度很小,约莫只有千分之一于总亮度,然则对于自己就对照亮的白矮星(一样平常是那些恰巧对照近的白矮星,要知道白矮星本质上不会稀奇明亮以是我们只能很好地考察那些靠得对照近的)来说,这已经足以去考察了。这类白矮星被叫做DAV型白矮星(V示意其为变星)。

DAV型白矮星亮度的周期性转变和它们大气中的氢元素脱不了相关。在那样的外面温度下,这些氢原子由于容易被电离而显得不稳固――换句话说,这些氢原子很容易失去它们的核外电子。稀奇地,当某些机械波在白矮星外层流传并导致星体外面稍微振动的时刻,氢原子的电离更容易发生。

机械波在白矮星表层中的流传好比波纹在池塘水中的流传,只需要你往内里扔块石头,呃,可能扔一小块鹅卵石就够了――它不是效果很夸张的波。这种水波被称为重力波(gravity wave),由于当水面在石头的作用下往下移动了一段距离后,它会受重力的作用而被拉回。水面会接着向上移动一点,但再一次会因重力作用而被拉回,云云循环下去。

图解:云内发生的重力波,20161月摄于博尔德县。相机朝南,云波的线条沿器械偏向延伸。图源:syfy

在白矮星上,类似地,机械波能在星体外面流传而发生作用,并导致其亮度的细小改变:星体的亮度会略微变大,接着变小,今后再一次变大,循环。对白矮星G 117-B15A来说,这个循环的周期是215.19738823秒。

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图解:天狼星B与地球巨细对比图。图源:原文。

天文学家们发现,这个周期的长度正在发生转变,平均每秒增约莫秒(或者说其转变率为5飞秒每秒)。这个数目小得超乎寻常。为了直观起见,我们换用年来做单元:每过620万年,这个周期会拉长一秒。

换而言之,若是你在公元6202021年再次考察这颗恒星,你会看到它的周期是216.19738823秒。我希望你有这个耐心,究竟这个效果可能并不令人兴奋。

天文学家们考察过许多可能引起这个周期转变的因素,包罗磁场,包罗对该白矮星有影响的一颗伴星(在距该星很远的轨道上确实有一颗像暗灯泡一样的红矮星),还包罗其他众多因素,最后发现其基本因素就只是白矮星自己大气中的氢。

这个效果很漂亮。现实上太空中的高精度“时钟”许多,好比一些毫秒脉冲星。毫秒脉冲星甚至有着比白矮星更大的密度,它们疯狂自转,可以在一秒钟自转几百次,且它们的自转相当稳固:其自转周期每过十亿年才会有显著的转变。不外呢,它们更容易泛起自转突变(glitch)的情形,就是说自转速率容易发生突然改变,这往往是恒星内部力学结构的转变(例如壳层移动导致力学平衡损坏)造成的。以是,总得来说这些“时钟”的准度反而不及G 117-B15A。

图解:F-1原子钟,位于美国国家尺度与手艺研究所,科罗拉多博尔德。该原子钟每走一亿年发生的误差不跨越一秒。图源:原文。

尚有一些原子钟,它们振荡周期的转变速率比我们的白矮星钟也要低,然则它们振荡得太快了,以至于当我们用周期转变率除以周期长度算出来的数值去表征钟的稳固性的时刻(现实上这也是一种尺度方式去表征钟表的稳固性),它们的稳固性还不如白矮星钟。举个例子,有一种原子钟的振荡周期是2.5飞秒(即秒),相比于白矮星的光变周期215秒来说,它振荡得难以置信地快。正由于它振荡周期云云之短,它才显得不稳固――每过约莫20分钟,它的振荡周期就会翻倍,而对于白矮星来说,需要经由跨越十亿年的时间才气让它的光变周期翻倍至430秒。

我知道这可能有点难以明晰,但总之我想表达的意思是:这颗白矮星的明暗转变(我们可以用眼睛看到的那种)的等时性总体比任何其他人类已知的光学钟都要好。

这是很主要的,由于这能让天文学家更好地领会恒星的内部情形,好比可以领会白矮星内部的冷却速率有多快。由于白矮星不会自己发生热量,以是我们可以行使冷却速率去盘算白矮星的岁数:其自聚变流动住手以来已经已往了多久。这个效果可以进一步辅助我们更多地领会恒星成为白矮星并逐渐住手流动的历程,以及某颗白矮星曾经是什么类型的恒星等等。

我们的太阳也终有一天会酿成白矮星,约莫在70或80亿年后就会,而且今后将一直是白矮星。那么太阳住手流动的历程是怎么样的?这将对整个太阳系发生什么样的影响?这都是些有趣的问题,而且都和现在的研究慎密相关。

图解:太阳系行星。图中星体的巨细比例是准确的,然则距离比例不准确。图源:syfy

另外,这颗白矮星自己就很帅。它有着0.6倍于太阳的质量,但却被挤得和地球差不多大;它像钟一样准时“响起”且拥有相当稳固的周期,以至于你可以遵照它来对表……而且在未来很长、很长一段时间内都可以十分放心地拿它来对表。

BY: Phil Plait

FY: 浪漫主义学派

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