奇特的"三体"恒星系统

文章作者:紫忆 | 2015-12-08
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三体是天体力学名词,指的是由三个质点及其相互引力作用组成的力学关系。主要是指三颗质量相似的恒星。2014年1月,一个国际天文学家小组利用美国国家科学基金会(NSF)所属格林班克射电望远镜发现一个奇特的“三体”恒星系统,这个系统中包含两颗白矮星以及一颗拥有超高密度的脉冲星。脉冲星是中子星的一种,随着它们的高速自转,它们发出的无线电波会像大海中的灯塔一样周期性地扫过周围空间。此次发现的这颗脉冲星距离地球约4200光年,自转速度是每秒366圈。

三体
      三体(three-body problem),天体力学中的基本力学模型。研究三个可视为质点的天体在相互之间万有引力作用下的运动规律问题。这三个天体的质量、初始位置和初始速度都是任意的。牛顿的引力理论正确预测两个互相吸引的天体(比如太阳和地球)的运动规律——它们的轨道基本是椭圆形。但如果有3个天体(比如太阳、地球和月球)互相作用,它们的运行轨道有什么规律呢? 这就是著名的“三体问题”。 简单地说,“三体问题”就是探讨3个质量、初始位置和初始速度都为任意的可视为质点的天体,在相互之间万有引力的作用下的运动规律问题。
      “三体问题”的提出可以追溯到17世纪80年代,当时英国物理学家、数学家艾萨克·牛顿运用他的引力理论正确预测两个互相吸引的天体(比如太阳和地球)的运动规律——它们的轨道基本是椭圆形。但如果有3个天体,比如太阳、地球和月球相互作用,它们的运行轨道是什么样的?牛顿没能给出通用的特解答案。随后的200多年中,科学家们为解决这个问题绞尽脑汁,直到1887年德国数学家、天文学家海因里希·布伦斯指出,寻找三体问题的通解注定是无用功,只在特定条件下成立的特解才可能存在。

三体
      1889年,法国数学家、天体力学家亨利·庞加莱将复杂的三体问题简化成了所谓的“限制性三体问题”。但他发现,即使对简化了的限制性三体问题,在同宿轨道或者异宿轨道附近,解的形态会非常复杂,以至于对于给定的初始条件,几乎没有办法预测当时间趋于无穷时,这个轨道的最终命运。而这种对于轨道的长时间行为的不确定性,这被称为“混沌”(chaos)现象。表明了通常情况下三体问题的解是非周期性的。
      要发现三体问题的周期性特解绝非易事——自“三体问题”被确认以来的300多年中,人们只找到了3族周期性特解。在18世纪法国数学家、物理学家约瑟夫·拉格朗日和瑞士数学家、物理学家莱昂哈德·欧拉经过多种实验得出了一些结果。20世纪70年代,美国数学家罗杰·布鲁克和法国天文学家米歇尔·赫农借助计算机又得到了更多的结果;1993年,美国数学家、物理学家克里斯·摩尔发现一种奇特现象——特解中3个天体的运动似在一条“8”字形的轨道上互相追逐。上述所有这些被发现的特解可以被归结为下面3族:拉格朗日-欧拉族、布鲁克-赫农族和“8”字形族。拉格朗日-欧拉族的解比较简单,就是三个天体等间距地在圆轨道上运动,就像旋转木马那样。布鲁克-赫农族的解比较复杂,两个天体在里面横冲直撞,第三个天体在它们外围做环绕运动。
      2013年,塞尔维亚物理学家米洛万·舒瓦科夫和迪米特拉·什诺维奇发现了新的13族特解。他们在著名学术期刊《物理评论快报》上发表了论文,描述了他们的寻找方法:运用计算机模拟,先从一个已知的特解开始,然后不断地对其初始条件进行微小的调整,直到新的运动模式被发现。这13族特解非常复杂,在抽象空间“形状球”中,就像一个松散的线团。三体问题特解的族数被扩充到了16族。这一新发现令科学界欢欣鼓舞。多年来一直从事三体问题研究的美国科学家罗伯特·范德贝说,“我非常喜欢这一成果”。另一位美国科学家理查德·蒙哥马利说:“这些结果非常美妙,而且描述非常精彩。”中国科学家周海中表示,他们的成果加深了人们对天体运动的了解,促进了天体力学和数学物理的进一步发展,尤其是对人们研究太空火箭轨道和双星演化很有帮助。


 

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