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太阳系的质心不在太阳内!引力波和脉冲星给出答案,精确度极高

2020-07-02  玄术之门

四百多年前,波兰天文学家哥白尼发表了《天体运行论》,指出地球并不是宇宙的中心,太阳才是。日心说的提出对于人类来说具有划时代的意义,虽然它没有马上被接受,但是让人类逐渐认识到了地球并非至高无上。

当然,日心说也并不准确,因为宇宙中还有无数的天体与太阳没有任何瓜葛。即使是在银河系中,太阳也不过是沧海一粟,距离星系的中心有2.5万光年之遥。如果非要说是中心,太阳充其量可以竞选一下太阳系的中心。

没错,是竞选。它是不是太阳系的中心,也不好说。

我们这里提到的太阳系中心,指的是太阳系的质心。所谓的质心,是物理学上将一个有体积的物体的所有质量假想为聚集于此的一个点。质点不一定位于几何中心,比如我们常见的不倒翁,质心在最下方,这是因为它们的最下方有一个质量很大的配重,所以不论怎么晃动,最终都会回到直立起来的状态。

对外界的物质来说,整个太阳系的引力作用可以看作从质点出发;而对于太阳系内天体来说,它们围绕的中心也是质心而非单纯的太阳。

按说整个太阳系也应该像不倒翁一样,太阳占据了绝大部分质量,质心也应该位于太阳处。但是,由于其他天体的引力作用(尤其是木星的恐怖质量),导致太阳系的质心并不严格位于太阳的核心处。这造成的结果就是,不仅行星从本质上说是围绕这个质点在公转,甚至太阳也会绕着质点发生晃动,就像是一个被你转动的呼啦圈。

实际上,随着各个行星的运动,太阳系的质心也在发生变化。它有的时候位于太阳表面附近,有的时候甚至在太阳以外,最远甚至可以距离太阳中心达151.4万公里。要知道,太阳的半径也不过是69.6万公里。也就是说,太阳系质心最远的时候,距太阳表面超过一个太阳半径那么远了!

对于太阳系质心的研究,科学家们已经进行了很久。但是,由于天体运动过于复杂,这项工作也一直有极高的难度。最近,一支国际天文学家团队终于取得重大突破,将太阳系的质心位置范围缩小到了100米以内。那么,他们究竟是怎样探测太阳系质心位置的呢?

(图片说明:最近几十年内太阳系质心位置的变化)

首先我们要知道,多体运动的计算几乎是不可能的,所以科学家们选择直接通过观测来寻找结果。观测方法的本质,就是通过天文观测来判断质心对地球的影响,从而推测出质心的位置。

在此之前,天文学家们通常是利用多普勒效应,观测天体光谱的偏离方向,从而确定地球受到了质心的拖拽作用是怎样的。但是,在这个过程中,他们发现了许多的误差。美国宇航局喷气推进实验室的天文学家Michele Vallisneri指出:“通常来说,更多的数据可以得出更精确的结果,但是在我们的计算过程中,始终有一个偏差,挥之不去。”

而且,他们最初认为这些误差可能来自于引力波。但他们后来发现,在相对静止的太阳系框架中并不存在这样的引力源,这意味着这些误差与太阳系质心的不断变化有关。

为了观测太阳系质心的变化,他们借助了一种宇宙工具——脉冲星。

脉冲星是中子星的一种,它有两个特点,其一是可以发出强烈的脉冲信号,因此又被称作宇宙的灯塔;其二是它们自转速度极快,而且时间极为精准,可以达到毫秒级。当它们的脉冲信号扫过地球方向的时候,我们就会检测到这个信号的一个波峰,从而计算它的自转周期。因此,对于天文学家来说,脉冲星可以辅助在其他很多方面进行天文观测。

比如说,一旦我们发现某些脉冲星的自转周期并不规律,那不是因为脉冲星本身出了问题,而是它的脉冲信号受到了干扰,比如周围有其他天体的引力作用导致它自转不规律,或者我们和脉冲星之间相对位置的变化导致仅仅是观测上出现变化等等。

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近些年来,包括北美引力波纳米赫兹天文台(简称NANOGrav)在内的许多观测设备都在持续关注着脉冲星,希望寻找到低频引力波导致的脉冲星信号变化。

范德比尔特大学的天文学家和物理学家Stephen Taylor向我们解释其中的原理:“有了对银河系内脉冲星的观测,我们就可以像一只静坐在网上的蜘蛛一样,当我们试图探测这张网上最微弱的振动时,我们对于它质心的了解就显得至关重要了。”

为此,他们建立了一个名为BayesEphem的软件,旨在对太阳系内与利用脉冲星搜索的引力波之间相关性最强的天体轨道进行建模和修正。其中,木星的建模尤其重要,因为它对整个太阳系的质心位置至关重要,在将太阳系质心拖出太阳内部的过程中出了最大的力。而且,我们对于它的公转轨道,还没有一个完全透彻的了解。

在利用BayesEphem来分析NANOGrav的数据后,他们能够得到引力波背景和探测的统计数据的上限。并且,他们能够借此对太阳系的质心进行前所未有的精确计算,误差在100米以内。

这个误差值对于我们来说已经相当惊人了,让我们可以更好地了解太阳系内天体的运动规律。尽管太阳占据了整个太阳系99.86%的质量,而木星则仅仅占了大约0.1%,但它依然无法抵御木星带来的影响。由此可见,天体运行规律在受到多方干扰后会变得多么混乱。至于三黑洞系统、超星系团等宇宙结构,我们就更难说得清了。

研究人员指出,BayesEphem在未来还可以帮助我们对宇宙中的低频引力波进行更加精确的探测。我们知道,由于受空间距离的限制和地球重力梯度噪声的影响,我们对于低频引力波的探测始终面临着重重的考验。而低频引力波来自于双星系、超大质量双黑洞和大质量比双黑洞的并合及大质量天体的爆炸等现象,对于我们揭开宇宙的一些秘密至关重要。因此,在BayesEphem的帮助下,我们或许将找到一些问题的答案,这也是NANOGrav的主要工作。

(图片说明:引力波示意图)

宇宙中还有很多我们人力暂时还无法触及的秘密,需要更多的科学工作者前赴后继,才能够将它们一一揭开。科学之路漫漫,我们在相当长的一段时间内,都无法看到它的终点……

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