第47章 PSR J0737－3039 (4/7)

如前所述，夏皮罗延迟是引力场导致脉冲信号传播时间延长的现象。对于psr

j0737-3039，两颗脉冲星互相穿过对方的引力场，因此会产生双向夏皮罗延迟：

a星脉冲穿过b星引力场的延迟：约10微秒；

b星脉冲穿过a星引力场的延迟：约15微秒。

通过测量这两个延迟，天文学家不仅精确测定了两颗中子星的质量，还验证了广义相对论中“引力场的时间膨胀”效应——即引力场越强，时间流逝越慢。这种双向测量，是之前任何系统都无法实现的。

4.

轨道平面进动：广义相对论的“几何印记”

双脉冲星系统的轨道平面并非固定不变——它会因两颗中子星的引力相互作用而进动。根据广义相对论，轨道平面进动速率\\dot{\\omega}的公式为：

\\dot{\\omega}

=

\\frac{3

g^{3\/2}

m_1

m_2

(m_1

+

m_2)^{1\/2}}{2

c^2

a^{3\/2}

(1

-

e^2)^2}

对于psr

j0737-3039，理论预言的\\dot{\\omega}约为0.016度\/年。通过观测两颗脉冲星的轨道相位变化，天文学家测得的\\dot{\\omega}约为0.0158度\/年——误差仅1.25%，再次验证了广义相对论的预言。

四、超越广义相对论：寻找“新物理”的线索

尽管psr

j0737-3039的观测结果与广义相对论高度吻合，但它也为寻找“新物理”提供了机会。例如：

修正引力理论：某些修正引力理论（如弦理论的低能近似）预言，引力波的传播速度会略慢于光速，或存在额外的“标量场”。psr

j0737-3039的轨道衰减和夏皮罗延迟测量，可以限制这些理论的参数空间；

暗物质的影响：如果银河系中存在大量暗物质晕，暗物质的引力会轻微改变双脉冲星的轨道参数。通过长期观测psr

j0737-3039的轨道变化，天文学家可以限制暗物质的密度分布；

量子引力效应：在中子星的强引力场中，量子引力效应（如时空的“泡沫化”）可能会微小地改变脉冲到达时间。尽管目前的技术无法检测到这种效应，但psr

j0737-3039的高精度计时为未来的量子引力实验提供了基础。

五、未来：合并前的“倒计时”与引力波探测

psr

j0737-3039的轨道周期仅2.4小时，引力波辐射导致其轨道不断衰减。根据计算，两颗中子星将在约1亿年后合并——这比赫尔斯-泰勒脉冲星的合并时间（约3亿年）早得多，因此是未来引力波探测器的“重点目标”。

1.

引力波信号的预测

双中子星合并时，会释放出强烈的引力波信号——其频率覆盖从纳赫兹（lisa探测）到千赫兹（ligo\/virgo探测）的范围。对于psr

j0737-3039，天文学家已经用其参数预测了合并时的引力波信号：

合并前的最后几分钟，轨道周期会缩短到几毫秒，引力波频率会上升到几百赫兹；

合并瞬间，会释放出相当于3倍太阳质量的能量，以引力波的形式传播到宇宙中；

合并后的产物可能是一个“超

massive

中子星”（若质量未超过奥本海默-沃尔科夫极限），或直接坍缩成黑洞。

2.