[论文解读] Testing GR with the Double Pulsar: Recent Results

M. Krämer, Lorimer, D. R.+13 more|ArXiv.org|Mar 17, 2005

Geophysics and Gravity MeasurementsEarth and Planetary Sciences参考文献 1被引用 16

一句话总结

本文利用双脉冲星系统 PSR J0737−3039，对广义相对论（GR）在强场区域的适用性进行了最严格的检验。该系统是双中子星系统，轨道周期仅为2.4小时。通过测量五个后开普勒参数，尤其是 Shapiro 延迟和近日点进动，结果表明广义相对论的验证精度达到0.1%，创下强引力极限下最严格的约束记录。

ABSTRACT

This first ever double pulsar system consists of two pulsars orbiting the common center of mass in a slightly eccentric orbit of only 2.4-hr duration. The pair of pulsars with pulse periods of 22 ms and 2.8 sec, respectively, confirms the long-proposed recycling theory for millisecond pulsars and provides an exciting opportunity to study the works of pulsar magnetospheres by a very fortunate geometrical alignment of the orbit relative to our line-of-sight. In particular, this binary system represents a truly unique laboratory for relativistic gravitational physics. This contribution serves as an update on the currently obtained results and their consequences for the test of general relativity in the strong-field regime. A complete and more up-to-date report of the timing results will be presented elsewhere shortly.

研究动机与目标

• 利用具有极端相对论参数的双脉冲星系统，在强场区域测试广义相对论。
• 通过精确测量毫秒脉冲星 PSR J0737−3039A 的计时数据，测定多个后开普勒参数。
• 通过比较观测值与广义相对论预测值，约束广义相对论的偏离。
• 为未来测量更高阶相对论效应（如自旋-轨道耦合）铺平道路，以探测中子星物态方程。
• 确立双脉冲星作为在极端质量与致密性条件下检验引力理论的独特实验室。

提出的方法

• 利用高灵敏度射电望远镜精确测量毫秒脉冲星 PSR J0737−3039A 的计时，以测定后开普勒（PK）参数。
• 利用观测得到的轨道周期、偏心率和近日点进动，根据广义相对论推导出系统的总质量和质量比。
• 通过测量由于伴星附近弯曲时空导致的引力红移所引起的脉冲到达时间延迟，测定 Shapiro 时间延迟参数 $ s $。
• 将观测到的 $ s $ 与基于推导质量的广义相对论预测值进行比较，以检验广义相对论在强场极限下的有效性。
• 建立更高阶相对论效应（如自旋-轨道耦合与测地线进动）的模型，评估未来测量中子星惯性矩的潜力。
• 应用后牛顿展开至1PN阶，其中自旋-轨道耦合的修正项等价于在近日点进动中引入2PN阶效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用双脉冲星系统在前所未有的精度下测试广义相对论在强场区域的适用性？
• RQ2 PSR J0737−3039 的测量后开普勒参数在多大程度上与广义相对论的预测一致？
• RQ3 能否以足够高的精度测量 Shapiro 延迟参数，以约束广义相对论的偏离？
• RQ4 该系统中检测更高阶相对论效应（如自旋-轨道耦合）的潜力如何？
• RQ5 自旋-轨道耦合的测量能否通过其惯性矩直接约束中子星物态方程？

主要发现

• 双脉冲星系统 PSR J0737−3039 为目前广义相对论在强场区域的最严格检验。
• 广义相对论预测值与观测值的 Shapiro 延迟参数之比为 $ s^{ ext{GR}}/s^{ ext{obs}} = 1.0002^{+0.0011}_{-0.0006} $，表明广义相对论的验证精度达到0.1%。
• 系统的总质量测定为 $ M_A + M_B = 2.587 hinspace M_igodot $，单个质量分别为 $ M_A = 1.338 hinspace M_igodot $ 和 $ M_B = 1.249 hinspace M_igodot $，精度均达0.1%。
• 测得的近日点进动 $ ilde{ ho} = 16.9^ ext{deg} ext{yr}^{-1} $ 是 PSR B1913+16 的四倍，从而实现了高精度计时。
• 该系统的并合 timescale 约为85 Myr，显著提升了利用第一代探测器探测中子星并合引力波的可能性。
• 未来更高的计时精度可能使自旋-轨道耦合效应的探测成为可能，从而实现中子星惯性矩与物态方程的首次直接测量。