Science论文证实百年猜想，再次验证广义相对论

一百多年前，在爱因斯坦提出广义相对论之后，许多天文学家提出了通过天文观测来验证广义相对论的猜想，其中坐标系拖曳效应就是其中之一。

通过帕克斯射电望远镜，天文学家第一次观察到了坐标系拖动的现象。(照片来源:马克·迈尔斯重力波发现卓越中心)

一百多年前，在爱因斯坦提出广义相对论之后，许多天文学家提出了通过天文观测来验证广义相对论的猜想，其中坐标系拖曳效应就是其中之一。今天，广义相对论早已得到验证，但弱坐标拖曳效应尚未被观测证实。最后，在发表在《科学》杂志上的一项研究中，由澳大利亚斯温伯恩科技大学领导的一个研究小组首次证实了一个罕见的双星系统的影响。

1916年，爱因斯坦发表了他的广义相对论，这对现代物理学产生了深远的影响。然而，在广义相对论诞生之初，许多物理学家对此表示怀疑——毕竟，这样一个颠覆性的理论只有通过观察验证，才能被广大学者真正接受。

众所周知，100年前，英国科学家爱丁顿首次用著名的日全食实验验证了广义相对论。但是除此之外，许多物理学家已经预言了广义相对论可能引起的其他效应。坐标系拖动就是其中之一。

1918年，两位奥地利物理学家约瑟夫·透镜(Josef Lense)和汉斯·蒂林(Hans Thirring)意识到，如果广义相对论成立，任何天体在旋转时都会对周围的时空产生拖曳效应。这种现象称为帧拖移或惯性帧拖移。

下面的例子可以帮助我们理解上述现象。我们将粘稠的糖浆倒入碗中，然后将球形棒棒糖压入其中。当我们快速转动棒棒糖棒时，我们会看到什么？棒棒糖周围的糖浆开始旋转。类似地，任何绕自身轴旋转的天体周围的时空也会移动。然而，糖浆被摩擦力拖动，而重力场拖动空间和时间。

虽然这在理论上是有道理的，但要真正观察到这一现象却是极其困难的。坐标系拖动效果太弱。几乎整个20世纪，人们从宇宙中寻找这种效应的努力从未产生结果。

从20世纪90年代到本世纪初，科学家们试图使用足够灵敏的仪器来探测地球自转造成的时空阻力。为此，美国国家航空航天局先后启动了LAGEOS卫星实验和重力探测b实验，通过陀螺仪等敏感手段来发现这一效应。这两个实验，特别是重力探测B实验，产生了与广义相对论的预测相一致的结果。然而，这些实验的误差控制并不总是符合预期。

罕见的双星系统

由于质量小、转速慢的地球坐标系的拖曳效应太弱，天文学家把目光投向更遥远的宇宙，希望能在高速旋转的质量天体中观察到这种效应。

1999年，澳大利亚天文学家通过公园射电望远镜在2000光年外的南十字星发现了一个特殊的双星系统。被称为PSR J1146545的双星系统由一颗白矮星和它的伴星脉冲星组成。其中，中子星的直径只有20公里，但是它们的质量超过了整个太阳系。然而，白矮星的质量略小于中子星，其体积相当于地球的体积。

由白矮星和围绕它们运行的脉冲星组成的双星系统。(照片来源:马克·迈尔斯重力波发现卓越中心)

对于天文学家来说，这个二元系统为观察坐标系中的拖曳效应提供了一个极好的地方。

一方面，这个白矮星的旋转周期只有几分钟，而高速旋转的白矮星产生的坐标系拖曳效应是地球的1亿倍。

当然，这种效应本身不足以让地球上的望远镜观察到。这时，围绕白矮星运行的脉冲星成为关键。脉冲星是快速旋转的中子星，就像海上的灯塔，它的磁极在旋转时不断发出无线电波。对地球上的观测者来说，这些信号就像精密的时钟，忠实地记录着脉冲星的运动轨迹。如果信号之间的时间间隔发生变化，这意味着脉冲星的轨道已经转移。这种偏移恰好是一个寻找坐标系拖动效果的窗口。

另一个不可或缺的因素是PSR J1146545极其罕见的出生过程。由白矮星和中子星组成的双星系统很常见，但中子星通常是这种系统中最先形成的。然而，到目前为止，只有两个“较老的”白矮星双星系统得到了证实，包括PSR J1146545。

在这样的系统中，恒星首先死亡，形成白矮星。白矮星从伴星获取气体物质，旋转速度更快。随后，它的伴星通过超新星爆炸形成了脉冲星。

这一点很重要，因为PSR J1146545可以保存脉冲星的典型磁场特征，并帮助天文学家区别它们与普通双星系统相比的轨道信息。

发现信号

这个系统汇集了所有有利条件，自然成为研究团队的焦点。自2000年以来，澳大利亚的帕克斯望远镜和极限射电望远镜一直在观测它们，希望找到轨道参数长期变化的证据。

2015年，他们最终观察到轨道有轻微偏离。但是这还不够——除了这种效应，其他因素也可能影响，比如旋转本身会将中子星压缩得更“平”，从而改变它的引力场。因此，通过数据处理，研究小组从信号中筛选出了其他因素的干扰，并发现了轨道平面方向的长期渐进变化——只有这样的信号才能解释其他影响。

下一个问题是，这种罕见的双星诞生过程是否成立？计算机模拟证实了这种可能性。这些天文学家发现了丹麦奥尔胡斯大学的托马斯·陶里斯，并通过模拟验证了这一过程。这项研究发现，在两颗恒星的初始质量和轨道受到严格限制后，类似PSR J1146545的系统是完全可能的。

在最近发表在《科学》杂志上的一篇论文中，研究小组报告了这一发现。

这项研究最终为持续了100年的猜想提供了精确的天文观测验证，并再次证实了广义相对论。此外，坐标系拖曳效应的发现对现代天文学还有其他意义。

作为宇宙中密度最大的物质，中子星的组成没有明确的答案。该研究的第一作者文卡特拉曼·克里希南说，这种效应也应该在由两个脉冲星组成的双星系统中观察到。这样的观察可以帮助科学家确认这些脉冲星的确切体积，从而揭示它们神秘的内部组成。

原始纸张:

https://science . science mag . org/CGI/doi/10.1126/science . aax 7007

参考链接:

http://www . eurekalert . org/pub _ releases/2020-01/tarc-awt 012820 . PHP

http://www . scientific American . com/article/special-cosmic-dance-offers-fresh-test-for-general-相对论/