[论文解读] The double pulsar -- A new testbed for relativistic gravity

M. Krämer, A. G. Lyne+10 more|arXiv (Cornell University)|May 10, 2004

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用 4

一句话总结

该论文报告了首个双脉冲星系统 PSR J0737−3039 的发现，为强场引力下的广义相对论检验提供了前所未有的实验平台。通过测量多个后开普勒参数——如近日点进动、引力红移、 Shapiro 延迟和质量比——该系统对广义相对论施加了强约束，实现了高精度的质量测定，并以 0.22% 的不确定度验证了预测，特别是 Shapiro 参数比。

ABSTRACT

The first ever double pulsar, discovered by our team a few months ago, consists of two pulsars, one with period of 22 ms and the other with a period of 2.7 s. This binary system with a period of only 2.4-hr provides a truly unique laboratory for relativistic gravitational physics. In this contribution we summarize the published results and look at the prospects of future observations.

研究动机与目标

• 研究双脉冲星系统 PSR J0737−3039 作为强场引力中相对论性引力新测试平台的潜力。
• 通过测量多个后开普勒参数（例如近日点进动、Shapiro 延迟、引力红移）来超越弱场极限检验广义相对论。
• 利用计时测量和轨道约束，高精度测定两颗中子星的质量。
• 探索通过相对论进动效应测量中子星自旋-轨道耦合和转动惯量的可能性。
• 评估该系统在未来高精度引力测试中的潜力，包括测地线进动和光传播修正。

提出的方法

• 利用帕克斯和洛弗尔射电望远镜对两颗脉冲星的射电脉冲进行高精度计时，以推导开普勒和后开普勒轨道参数。
• 测量脉冲星 A 的脉冲到达时间因脉冲星 B 的引力场引起的 Shapiro 延迟，从而精确确定轨道倾角和范围参数 r。
• 应用质量-质量图法，广义相对论预测多个后开普勒参数在真实质量处交汇于一点。
• 利用从投影半长轴推导出的质量比 R = mA/mB 作为理论无关的约束，该约束必须与后开普勒约束相交。
• 建立高阶相对论效应（如测地线进动、自旋-轨道耦合和光线弯曲修正）的模型，以评估其可探测性。
• 预测未来通过甚长基线干涉测量（VLBI）测量轨道周期导数和视 parallax 将进一步改进引力检验，并考虑运动学效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 双脉冲星系统 PSR J0737−3039 是否能比以往的双脉冲星系统对广义相对论在强场区域的检验更加严格？
• RQ2 所测得的后开普勒参数（例如近日点进动、Shapiro 延迟、引力红移）在多大程度上与广义相对论的预测一致？
• RQ3 质量比 R = mA/mB 是否可作为理论无关的约束，用于验证或排除其他引力理论？
• RQ4 该系统中相对论性自旋-轨道耦合效应是否可测量？若可测，是否可用于确定中子星的转动惯量？
• RQ5 高阶效应（如光线弯曲和测地线进动）的预期可探测性如何？它们对计时模型有何影响？

主要发现

• 系统 PSR J0737−3039 是首个已知的双脉冲星，脉冲星 A 的周期为 22.7 ms，脉冲星 B 的周期为 2.7 s，每 2.4 小时公转一圈。
• 测得四个后开普勒参数：近日点进动（16.90(1) deg/yr）、引力红移（0.38(5) ms）、Shapiro 延迟参数 s = 0.9995(+4/-32)，以及范围参数 r = 5.6(−12/+18) μs。
• 从投影半长轴推导出的质量比 R = mA/mB = 1.069(6)，为质量平面提供了理论无关的约束。
• 在质量-质量图中，四个后开普勒约束与质量比线的交点证实了广义相对论，一致性检验结果为 s_obs/s_exp = 1.0001 ± 0.00220。
• 该系统具有显著的相对论效应（如自旋-轨道耦合），表明未来高精度计时可能首次实现对中子星转动惯量的测量。
• 模拟表明，数年的高精度计时数据应足以探测自旋-轨道耦合效应，其大小预计比 PSR B1913+16 中的高一个数量级。