[论文解读] The Highly Relativistic Binary Pulsar PSR J0737-3039A: Discovery and Implications

M. Burgay, N. D’Amico+11 more|arXiv (Cornell University)|May 11, 2004

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用 3

一句话总结

该论文报告了PSR J0737$-$3039A的发现，这是首个已知的双脉冲星系统，其中毫秒脉冲星以紧密的椭圆轨道围绕另一颗中子星运行。该系统通过精确测量相对论效应（如近日点进动、引力红移和 Shapiro 延迟）实现了对广义相对论前所未有的检验，仅在一年内便测量了四个后开普勒参数，以高显著性证实了强场引力理论的预测。

ABSTRACT

PSR J0737-3039A is a millisecond pulsar with a spin period of 22.7 ms included in a double-neutron star system with an orbital period of 2.4 hrs. Its companion has also been detected as a radio pulsar, making this binary the first known double-pulsar system. Its discovery has important implications for relativistic gravity tests, gravitational wave detection and plasma physics. Here we will shortly describe the discovery of the first pulsar in this unique system and present the first results obtained by follow-up studies.

研究动机与目标

• 识别并表征一个位于高度相对论性轨道中的稀有双脉冲星双星系统。
• 通过精确测量相对论轨道参数的到达时间，测试广义相对论在强场区域的适用性。
• 估算银河系双中子星系统并合率及其对引力波探测的影响。
• 通过轨道动力学和质量函数分析，约束伴星的性质。
• 评估利用地面探测器（如LIGO和VIRGO）探测该系统引力波信号的可能性。

提出的方法

• 通过帕克斯高纬度脉冲星巡天，在4分钟观测中以信噪比18.7检测到PSR J0737$-$3039A。
• 采用多普勒相位偏移校正算法，从脉冲相位变化中识别出轨道周期为2.4小时，偏心率e ≈ 0.09。
• 对脉冲到达时间进行测时分析，以测量后开普勒参数：近日点进动（\dot{\omega} ≈ 17°/yr）、引力红移（γ）和Shapiro延迟（r和s = sin i）。
• 通过脉冲星质量函数M_f = 0.29 M_⊙计算，推断伴星最小质量为1.24 M_⊙，支持其为第二颗中子星。
• 建模系统寿命τ_m ≈ 85 Myr，并与PSR B1913+16比较，估算并合率缩放因子。
• 利用光度和距离缩放估算银河系双中子星并合率，预测LIGO/VIRGO的探测率将提高约10倍。

实验结果

研究问题

• RQ1 在双脉冲星系统PSR J0737$-$3039A中，伴星的性质是什么？其质量和轨道偏心率如何约束形成模型？
• RQ2 在PSR J0737$-$3039A中观测到的后开普勒参数在多大程度上可用于检验广义相对论在强场区域的适用性？
• RQ3 该系统的发现如何影响地面探测器对双中子星并合引力波信号的探测率预测？
• RQ4 PSR J0737$-$3039A的预计并合 timescale 是多少？与已知双星脉冲星PSR B1913+16相比如何？
• RQ5 该系统的低脉冲辐射亮度和短寿命如何影响银河系双中子星系统数量的估算？

主要发现

• PSR J0737$-$3039A是首个已知的双脉冲星系统，其中毫秒脉冲星（自转周期22.7 ms）以2.4小时轨道绕另一颗中子星运行。
• 该系统表现出高达\dot{\omega} ≈ 17°/yr的近日点进动率，为迄今观测到的最大值，与广义相对论一致。
• 在8个月的测时观测内测量到四个后开普勒参数（\dot{\omega}、γ、r、s），实现了广义相对论的两个独立检验。
• 系统总质量估计为2.58 M_⊙，脉冲星质量为1.34 M_⊙，伴星质量为1.24 M_⊙，与第二颗中子星一致。
• 并合 timescale 为τ_m ≈ 85 Myr，显著短于PSR B1913+16的235–365 Myr，使预期银河系并合率提高约10倍。
• 预计地面引力波探测器（如LIGO和VIRGO）的探测率将提升至每几年一次，而非每几十年一次。