认识G117B15A宇宙中最稳定的光学钟

　　简介：在银河系中距离我们不远有一颗死星的遗骸（G117-B15A）。它每隔215.19738823秒（超过三分半钟）就以很小的幅度脉动。自1974年以来，天文学家就对这些脉冲进行了测量，他们观察到这一周期非常的稳定。如果将这些脉动用作时钟，则每620万年仅损失一秒钟。
　　图解：离我们最近的白矮星是天狼星B，其质量与太阳相当，但体积仅与地球相当。要知道，太阳直径可比地球大一百多倍。图源：原文。
　　在离我们187光年的地方——在银河系的尺度下并不算很远——有一颗基本已经停止活动的恒星。它曾经也跟太阳一样，甚至可能曾有将近六倍于太阳的质量，但是在四亿年前它还是走完了作为主序星的阶段。它先膨胀成了一颗红巨星，继而抛射出了它的外层物质。最终，它失去了太多物质而将自己又热又致密的核心部分暴露在外。
　　这类天体被叫做白矮星（whitedwarf）。宇宙中约90%的恒星最终都将演化成为白矮星。但是，这个被称为G117-B15A的白矮星是很特殊的一颗，它可能是人类所观测到的最稳定的光学钟。它的亮度信号存在规律的脉冲，其光度每215.19738823秒（比三分半稍微久一点点）就轻微地改变一次。天文学家们自1974年就开始观测这些脉冲，发现脉冲周期有非常微小的延长。这个延长有多小呢？如果你用这些脉冲信号来计时，那么每620万年它只会产生一秒的误差。
　　图解：天狼星系统的哈勃图像：天狼星A（中心）及其白矮星伴星B（左下方）；A比B亮大约10000倍。这是距离太阳最近的双星系统之一。图源：原文。
　　这个钟走得相当准，是个好钟无疑了。
　　从某种角度上说，白矮星是个简明的系统，它们不会自己产生能量，只是呆在宇宙中随时间流逝而缓慢冷却。不过从另一种角度上说，白矮星也是相当复杂的天体，因为它们的密度太大了——每立方厘米的质量可有一吨甚至更多——以至于量子力学原理在它们的结构中起主要的作用。
　　白矮星中有一类被称为DA型白矮星，它们的大气成分主要是氢气。如果它们的表面温度恰好在12000摄氏度左右，那么它们的亮度会有较严格的周期性变化。尽管变化的幅度很小，约莫只有千分之一于总亮度，但是对于本身就比较亮的白矮星（一般是那些碰巧比较近的白矮星，要知道白矮星本质上不会特别明亮所以我们只能很好地观测那些靠得比较近的）来说，这已经足以去观测了。这类白矮星被叫做DAV型白矮星（V表示其为变星）。
　　DAV型白矮星亮度的周期性变化和它们大气中的氢元素脱不了干系。在那样的表面温度下，这些氢原子因为容易被电离而显得不稳定——换句话说，这些氢原子很容易失去它们的核外电子。特别地，当某些机械波在白矮星外层传播并导致星体表面轻微振动的时候，氢原子的电离更容易发生。
　　机械波在白矮星表层中的传播好比波纹在池塘水中的传播，只需要你往里面扔块石头，呃，可能扔一小块鹅卵石就够了——它不是效果很夸张的波。这种水波被称为重力波（gravitywave），因为当水面在石头的作用下往下移动了一段距离后，它会受重力的作用而被拉回。水面会接着向上移动一点，但再一次会因重力作用而被拉回，如此循环下去。
　　图解：云内产生的重力波，2016年1月摄于博尔德县。相机朝南，云波的线条沿东西方向延伸。图源：syfy。
　　在白矮星上，类似地，机械波能在星体表面传播而产生作用，并导致其亮度的微小改变：星体的亮度会略微变大，接着变小，此后再一次变大，循环。对白矮星G117-B15A来说，这个循环的周期是215.19738823秒。
　　图解：天狼星B与地球大小对比图。图源：原文。
　　天文学家们发现，这个周期的长度正在发生变化，平均每秒增大约秒（或者说其变化率为5飞秒每秒）。这个数量小得超乎寻常。为了直观起见，我们换用年来做单位：每过620万年，这个周期会拉长一秒。
　　换而言之，如果你在公元6202021年再次观测这颗恒星，你会看到它的周期是216.19738823秒。我希望你有这个耐心，毕竟这个结果可能并不令人兴奋。
　　天文学家们调查过很多可能引起这个周期变化的因素，包括磁场，包括对该白矮星有影响的一颗伴星（在距该星很远的轨道上确实有一颗像暗灯泡一样的红矮星），还包括其他众多因素，最后发现其根本因素就只是白矮星本身大气中的氢。
　　这个结果很漂亮。实际上太空中的高精度＂时钟＂很多，比如一些毫秒脉冲星。毫秒脉冲星甚至有着比白矮星更大的密度，它们疯狂自转，可以在一秒钟自转几百次，且它们的自转相当稳定：其自转周期每过十亿年才会有显著的变化。不过呢，它们更容易出现自转突变（glitch）的情况，就是说自转速度容易发生突然改变，这往往是恒星内部力学结构的变化（例如壳层移动导致力学平衡破坏）造成的。所以，总得来说这些＂时钟＂的准度反而不及G117-B15A。
　　图解：F-1原子钟，位于美国国家标准与技术研究所，科罗拉多博尔德。该原子钟每走一亿年产生的误差不超过一秒。图源：原文。
　　还有一些原子钟，它们振荡周期的变化速率比我们的白矮星钟也要低，但是它们振荡得太快了，以至于当我们用周期变化率除以周期长度算出来的数值去表征钟的稳定性的时候（实际上这也是一种标准方法去表征钟表的稳定性），它们的稳定性还不如白矮星钟。举个例子，有一种原子钟的振荡周期是2.5飞秒（即秒），相比于白矮星的光变周期215秒来说，它振荡得难以置信地快。正因为它振荡周期如此之短，它才显得不稳定——每过大约20分钟，它的振荡周期就会翻倍，而对于白矮星来说，需要经过超过十亿年的时间才能让它的光变周期翻倍至430秒。
　　我知道这可能有点难以理解，但总之我想表达的意思是：这颗白矮星的明暗变化（我们可以用眼睛看到的那种）的等时性总体比任何其他人类已知的光学钟都要好。
　　这是很重要的，因为这能让天文学家更好地了解恒星的内部情况，比如可以了解白矮星内部的冷却速度有多快。由于白矮星不会自己产生热量，所以我们可以利用冷却速度去计算白矮星的年龄：其自聚变活动停止以来已经过去了多久。这个结果可以进一步帮助我们更多地了解恒星成为白矮星并逐渐停止活动的过程，以及某颗白矮星曾经是什么类型的恒星等等。
　　我们的太阳也终有一天会变成白矮星，大约在70或80亿年后就会，并且此后将一直是白矮星。那么太阳停止活动的过程是怎么样的？这将对整个太阳系产生什么样的影响？这都是些有趣的问题，并且都和目前的研究紧密相关。
　　图解：太阳系行星。图中星体的大小比例是正确的，但是距离比例不正确。图源：syfy。
　　另外，这颗白矮星本身就很帅。它有着0.6倍于太阳的质量，但却被挤得和地球差不多大；它像钟一样定时＂响起＂且拥有相当稳定的周期，以至于你可以依照它来对表……而且在将来很长、很长一段时间内都可以十分放心地拿它来对表。
　　BY: Phil Plait
　　FY:浪漫主义学派
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