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这场“宇宙之舞”,拖曳了时空

来源: 作者: 发布时间:2020-03-28


天文学家利用帕克斯射电望远镜观测到参考系拖曳。     图源:美国科学促进会网站

科技日报记者 张梦然

一个多世纪以前,爱因斯坦提出广义相对论,其后许多物理学家预测了广义相对论可以导致的其他效应——参考系拖曳(FD)就是其中之一。这也是广义相对论的一种“较强的”实验验证方法。

百年过去,广义相对论不断在宇宙大尺度上得到验证,但参考系拖曳却一直没有被证实。然而,近日美国《科学》杂志发表了一项由澳大利亚斯威本科技大学领导的团队的研究,天文学家们经过20年的追踪,从一对儿罕见的致密恒星中首度证实了参考系拖曳效应。

相对论与参考系拖曳  

对现代物理学影响最深远的理论之一,广义相对论,诞生于1916年。它描述了物质间引力相互作用,并首次把引力场解释成时空的弯曲。

现在,理论和科学仪器的进步,导致与广义相对论有关的更深远研究都可以被证实。譬如2016年引力波的发现;2019年超大质量黑洞的第一张图像发布。

但遗憾的是,参考系拖曳并没得到验证。

在广义相对论理论发表3年后,两位奥地利物理学家约瑟夫·伦斯和汉斯·特林意识到:按照爱因斯坦的推理,一个大质量天体,如地球,会让周围的时空扭曲,同时天体的重力会拖着时空一起旋转。这种现象就是参考系拖曳,或称为惯性系拖曳。

在日常生活中,这种影响微乎其微,几乎无法察觉。但对于自转的大质量天体来说,应该都会对周围的时空产生拖曳效应。

这就好比将一根棒棒糖放进全是糖浆的碗里,当我们保持住棒棒糖位置不动并快速转动棍子(自转),周围的糖浆都会跟着搅动,这是因为被摩擦力带动,而天体周围,拖曳时空的是引力场。

太难观测了

尽管目标是大质量天体,但参考系拖曳依然非常微弱。一个世纪过去,科学家仍然无法从宇宙中寻找到该效应的蛛丝马迹。

从上世纪90年代到本世纪初,美国国家航空航天局(NASA)的科学家曾尝试用极其灵敏的仪器,去检测地球自转产生的时空拖曳。为此,NASA先后启动了激光地球动力学卫星(LAGEOS)实验以及耗资7.5亿美元的引力探测B实验,通过陀螺仪手段寻找该效应。最后,引力探测B实验成功地再次验证了广义相对论的预言,而众所期待的参考系拖曳效应的信号强度,则和当前的噪声强度处于同一量级(这些噪声主要来自一些尚未建立研究模型的物理效应),并没有符合预测的量级。

其实在浩瀚星空中,我们的家园地球只是一个质量小、转速慢的行星,它的参考系拖曳效应太微弱了些。鉴于此,天文学家开始将目标放得更宽——例如一些高速旋转的大质量星体。

于是在1999年,澳大利亚天文学家通过帕克斯射电望远镜,锁定了2000光年外的南十字星座的一对儿演绎“宇宙之舞”的双星。

该系统名为PSR J1141-6545,由一颗白矮星和它的伴星脉冲星组成。其中,白矮星的质量为地球的30万倍,脉冲星的质量则约为40万倍,但脉冲星的直径才20千米,仅仅与一座城市差不多!

百亿亿千米外的引力实验室


演绎“宇宙之舞”的双星系统。     图源:美国科学促进会网站

宇宙中真的是有太多的天然引力实验室了。一旦锁定了目标,天文学家就展开了长期耐心地观测。他们发现,这颗白矮星的自转周期只有几分钟,高速旋转的白矮星产生的坐标系拖曳效应,是地球的1亿倍之多!

但这个效应还是不足以让地球上的望远镜观测到。幸好,这里还有一颗绕白矮星运行的脉冲星。

脉冲星其实就是快速旋转的中子星。我们看这颗脉冲星的体积和质量比有多么不可思议,就知道它的密度有多可怕——约为地球密度的1000亿倍。更重要的是,它每分钟可以旋转150次。

对于地球上的我们而言,它就像一个精准的时钟、一个会发射信号的灯塔,通过记录脉冲何时抵达望远镜,地球上的科学家就可以绘制出脉冲星围绕白矮星运行的路径,一旦信号间隔出现变化,就意味着脉冲星的运行轨道有所偏移。而这样的偏移,恰好就是寻找参考系拖曳的最佳切入点。

终于,通过一遍遍测绘脉冲星轨道,团队发现了微弱的偏移。但考虑到还可能有别的因素产生了类似影响,团队又加入了数据处理,从信号中筛去其他因素的干扰,辨别出了轨道平面方向长期性、逐渐性的变化,这已经是其他效应无法解释的了。

计算机模拟随后证实,这对双星的诞生过程符合推测。这项耗时20年的研究,终于为一个困扰了物理学一百年的猜想,提供了最精准的天文学验证。

团队成员表示,这一发现,让他们所有深夜和清晨的付出,都变成“值得”。