[论文解读] The Relativistic Binary Pulsar B1913+16

J. M. Weisberg, J. H. Taylor|arXiv (Cornell University)|Nov 11, 2002

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用 7

一句话总结

本文利用1981年至2001年间的5,083次计时测量，对脉冲星B1913+16进行了精确的相对论分析，通过引力辐射引起的轨道衰减证实了广义相对论。测得的轨道周期导数与广义相对论预测值在0.2%以内一致，为引力波辐射提供了有力证据，并对其他引力理论施加了严格限制。

ABSTRACT

We describe the results of a relativistic analysis of our observations of binary pulsar B1913+16, up to the latest measurements in 2001 August.

研究动机与目标

• 利用相对论性双星脉冲星B1913+16在强场区域检验广义相对论。
• 测量相对论效应，如近日点进动、引力红移以及由引力辐射引起的轨道衰减。
• 利用相对论计时参数约束脉冲星及其伴星的质量。
• 通过长期脉冲轮廓演化研究测地进动。
• 通过将观测结果与广义相对论预测进行比较，进一步限制其他引力理论。

提出的方法

• 使用专用后端设备采集数据，包括普林斯顿Mark III后端，实现五次积分中每段约16 μs的单个到达时间（TOA）不确定性。
• 利用TEMPO软件和Damour-Deruelle相对论计时模型拟合18个参数。
• 使用开普勒参数和相对论参数（如投影半长轴、偏心率、近日点进动率、引力红移以及轨道周期导数）推导出脉冲星和伴星的质量。
• 应用广义相对论方程（1）和（2），将测得的参数与各组分质量及轨道倾角关联起来。
• 利用更新的银河系参数，对观测到的轨道周期导数进行银河系加速度效应修正。
• 通过建模脉冲轮廓演化以探测测地进动，利用偶数和奇数轮廓分量分离辐射束结构与不均匀发射特征。

实验结果

研究问题

• RQ1 B1913+16的观测轨道衰减是否与广义相对论预测的引力辐射能量损失一致？
• RQ2 基于相对论计时参数，脉冲星及其伴星的精确质量是多少？
• RQ3 测地进动如何随时间影响观测到的脉冲轮廓？
• RQ4 所测得的相对论效应在多大程度上排除了其他引力理论？
• RQ5 引力红移和近日点进动的测量精度如何？是否与广义相对论一致？

主要发现

• 测得的轨道周期导数为 (−2.4086 ± 0.0052) × 10⁻¹² s/s，与广义相对论预测值 (−2.40247 ± 0.00002) × 10⁻¹² s/s 非常一致。
• 基于相对论计时参数，脉冲星和伴星的质量分别为 1.4408 ± 0.0003 M☉ 和 1.3873 ± 0.0003 M☉。
• 观测到的引力辐射阻尼效应证实了引力波的存在，其与广义相对论预测值的偏差在0.2%以内。
• 如图2所示，引力辐射引起的近日点时间偏移的观测值与预测值高度一致。
• 长期脉冲轮廓演化显示，两个主要脉冲成分的宽度持续变窄，与测地进动及哑铃形辐射束结构一致。
• 该分析排除了大量其他相对论性引力理论，如Weisberg & Taylor（1981）先前所展示，并进一步限制了可行的张量-标量理论。