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《科學》論文:科學家首次觀測到時空拖曳,證實百年猜想

時間:2020-02-06 15:10:27 來源:本站 閱讀:4030051次

通過帕克斯射電望遠鏡,天文學家首次觀測到坐標系拖曳現象。(圖片來源:Mark Myers ARC Centre of Excelle

100多年前,在愛因斯坦提出廣義相對論后,不少天文學家提出了通過天文觀測驗證廣義相對論的猜想,坐標系拖曳效應就是其中之一。如今,廣義相對論早已得到驗證,但微弱的坐標系拖曳效應始終沒有得到觀測證實。終于,在一項發表于《科學》雜志的研究中,澳大利亞斯威本科技大學領導的研究團隊從一個罕見的雙星系統中,首次證實了該效應。


1916年,愛因斯坦發表了對現代物理學影響深遠的廣義相對論。但在廣義相對論誕生之初,很多物理學家對此持懷疑態度——畢竟,如此具有顛覆性的理論,只有通過了觀測驗證,才能真正被廣大學者接受。

廣為人知的是,100年前,英國科學家愛丁頓用著名的日全食實驗首次驗證了廣義相對論。但除此之外,還有不少物理學家預測了廣義相對論可以導致的其他效應。坐標系拖曳,就是其中之一。

1918年,兩位奧地利物理學家Josef Lense和Hans Thirring意識到,如果廣義相對論成立,那么任何天體在自轉時,都會對周圍的時空產生拖曳效應,這種現象被稱作坐標系拖曳(Frame-dragging)或慣性系拖曳。

下面這個例子,可以幫助我們理解上述現象。我們向一只碗里倒入粘稠的糖漿,然后把一根球形的棒棒糖按進去。這時我們快速轉動棒棒糖的棍子,會看到什么現象?棒棒糖周圍的糖漿開始跟著旋轉。同樣,任何做著自轉的天體,其周圍的時空也會跟著偏移。只不過,糖漿是被摩擦力拖動,而拖曳時空的則是引力場。

雖然理論上說得通,但要真正觀測到這個現象,卻異常困難。坐標系拖曳效應太微弱了。幾乎整個20世紀,人們從宇宙中尋找該效應的努力始終沒有成果。

20世紀90年代到本世紀初,科學家試圖用足夠靈敏的儀器檢測地球自轉產生的時空拖曳。為此,NASA先后啟動了LAGEOS衛星實驗和引力探測B實驗,通過陀螺儀等靈敏的手段尋找這一效應。這兩項實驗,尤其是引力探測B實驗有所收獲,檢測到了與廣義相對論預言一致的結果。但這些實驗的誤差控制,始終沒有達到預期。


罕見的雙星系統

由于質量小、轉速慢的地球的坐標系拖曳效應太過微弱,天文學家將視線投向更遙遠的宇宙,希望在高速旋轉的大質量天體中觀測到該效應。

1999年,澳大利亞天文學家通過帕克斯射電望遠鏡,發現兩千光年外的南十字星座中存在一個特殊的雙星系統。這個名為PSR J1141-6545的雙星系統,由一顆白矮星和它的伴星脈沖星組成。其中,中子星直徑只有20千米,質量卻超過了整個太陽系。而白矮星質量略小于這顆中子星,體積與地球相當。

白矮星與圍繞其運轉的脈沖星組成的雙星系統。(圖片來源:Mark Myers ARC Centre of Excellence for Gravit

對于天文學家來說,這個雙星系統為觀測坐標系拖曳效應提供了絕佳場所。

一方面,這顆白矮星的自轉周期只有幾分鐘,高速旋轉的白矮星產生的坐標系拖曳效應,是地球的1億倍之多。

當然,僅僅產生這個效應,并不足以讓地球上的望遠鏡觀測到。這時,繞白矮星運行的脈沖星成了關鍵。脈沖星是快速旋轉的中子星,如同海面上的燈塔,其磁極在自轉的同時不斷發出射電束。對于地球上的觀測者而言,這一一束信號如同精準的時鐘,忠實記錄著脈沖星的運動軌跡。如果信號間的時間間隔出現變化,則意味著脈沖星的運行軌道出現了偏移。而這樣的偏移,恰好成為尋找坐標系拖曳效應的窗口。

另一個不容或缺的因素,是PSR J1141-6545極為罕見的誕生過程。白矮星與中子星組成的雙星系統很常見,但這樣的系統中,中子星往往率先形成。而白矮星更“年長”的雙星系統,算上PSR J1141-6545,目前得以確認的一共只有兩個。

在這樣的系統中,一顆恒星率先死亡,形成白矮星。白矮星獲取伴星的氣態物質,旋轉加速;隨后,其伴星通過超新星爆發形成脈沖星。

這一點之所以重要,是因為與普通的雙星系統相比,PSR J1141-6545可以保留脈沖星典型的磁場特征,幫助天文學家分辨出其軌道信息。


發現信號

這個匯聚了一切有利條件的系統,自然成為研究團隊關注的焦點。自2000年起,澳大利亞的帕克斯望遠鏡和UTMOST射電望遠鏡開始對其進行持續觀測,希望找到軌道參數長期變化的證據。

2015年,他們終于觀測到了軌道微弱的偏移。但這還不夠——除了這個效應,其他因素也可能產生影響,例如自轉本身會將中子星壓縮得更“扁”,從而改變其引力場。因此,研究團隊通過數據處理,從信號中篩去其他因素的干擾,找到了軌道平面方向長期、逐步的變化——只有這樣的信號,才是其他效應無法解釋的。

下一個問題是,這個罕見的雙星誕生過程是否成立?計算機模擬證實了這種可能性。這些天文學家找到了丹麥奧胡斯大學的Thomas Tauris,通過模擬驗證了這個過程。研究發現,在對兩顆恒星最初的質量及軌道進行嚴格限制后,類似于PSR J1141-6545的系統完全有可能出現。

在近期發表于《科學》雜志的論文中,研究團隊報道了這一發現。

這項研究終于為延續一百年的猜想,提供了精確的天文學觀測驗證,也再一次證實了廣義相對論。除此之外,坐標系拖曳效應的發現,對于現代天文學還有著其他意義。

作為宇宙中最致密的物質,中子星內的成分始終沒有確切的答案。這項研究的第一作者Venkatraman Krishnan表示,在兩顆脈沖星構成的雙星系統中,應該也能觀測到該效應。這樣的觀測,可以幫助科學家確認這些脈沖星的準確體積,從而揭示其神秘的內部組成。


撰文:吳非

原始論文:

https://science.sciencemag.org/cgi/doi/10.1126/science.aax7007

參考鏈接:

https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-01/tarc-awt012820.php

https://www.scientificamerican.com/article/bizarre-cosmic-dance-offers-fresh-test-for-general-relativity/

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