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这场“宇宙之舞”,拖曳了时空

作者:admin 来源:未知 更新日期:2020-02-08 浏览次数:

  
 

   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PSRJ1141-6545,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”。

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