天文學家已經捕捉到一顆恆星拖拽著它身邊的時空

2020-09-03 天文在線

愛因斯坦廣義相對論預測了「參考系拖拽」的存在：任何旋轉的物體都會在其周圍拖拽時空，而物體旋轉得越快，質量越大，其拖拽強度越大。雖然在平常這個現象小到難以探測，但通過白矮星和脈衝星的組合，快速旋轉的白矮星在脈衝星周圍拖拽時空，使脈衝星的軌道平面隨著被拖拽而傾斜，我們觀察到多種愛因斯坦引力效應。

愛因斯坦的廣義相對論預測了「參考系拖拽」的存在，即任何旋轉的物體都會拖拽其周圍的時空結構。

在我們每天的生活中，因為「參考系拖拽」帶來的影響是如此的微不足道，所以它是無法檢測和無關緊要的。

探測整個地球旋轉產生的「參考系拖拽」需要一些衛星，比如7.5億美元的重力探測器B（Gravity Probe B），而且在陀螺儀上檢測到的角度變化相當於每一萬年左右改變一度。

幸運的是，宇宙中有許多自然產生的引力實驗室，可以讓物理學家在那裡非常細緻的觀測愛因斯坦的預言。

我們團隊今天發表在「科學」雜誌上的研究，通過使用射電望遠鏡和一對獨特的緻密星以一種令人眼花繚亂的速度繞彼此旋轉，揭示了在更明顯的規模上存在參考系拖拽的證據。

這些恆星的運動可能會使牛頓時代的天文學家感到困惑，因為他們顯然在一個扭曲的時空中運動，而且需要愛因斯坦的廣義相對論來解釋他們的軌跡。

參考系拖拽的說明 (Mark Myers/OzGrav ARC卓越中心)

廣義相對論是現代引力理論的基礎。它解釋了恆星、行星和衛星的精確運動，甚至解釋了時間的流動。其中一個不為人知的預測是旋轉的物體會拖拽它附近的時空。一個物體旋轉的越快，質量越大，這種拖拽的力量也就越強。

與此相關的一種天體叫做白矮星。這些是死亡恆星的殘留核心，它們的質量曾是太陽的幾倍，但現在已經耗盡了它們的氫燃料。

白矮星（bing）

剩下的部分在大小上與地球相似，但質量是地球的數十萬倍。白矮星還可以非常快速的旋轉，每一到兩分鐘就自轉一周，並不像地球那樣每24小時自轉一周。

由這樣一顆白矮星所引起的參考系拖拽大約是地球引力的1億倍。

這一切很好，但是我們不能飛到白矮星上並在它周圍發射衛星。幸運的是，大自然對天文學家是善良的，它有一種方法讓我們通過脈衝星這種軌道恆星來觀測它們。

20年前，澳大利亞聯邦科學與工業研究組織的帕克斯天文臺（CSIRO's Parkes）用無線電望遠鏡發現了由一顆白矮星（大小和地球相仿，但質量是地球的30萬倍）組成的獨特的恆星對和一顆射電脈衝星（只有一座城市那麼大，但重40萬倍）

與白矮星相比，脈衝星完全屬於另一個類型。它們並不是由傳統的原子組成的，而是由擠在一起的中子組成的，這使得它們的密度非常大。另外，在我們的研究中，脈衝星每分鐘自轉150次。

脈衝星（bing）

這意味著，這顆脈衝星釋放出的無線電波「燈塔光束」在一分鐘內有150次掃過地球上的優勢位置。我們可以用它來繪製脈衝星繞白矮星運行的路徑，並且我們可以通過脈衝到達望遠鏡的時間來確定光速。這種方法揭示，兩顆恆星圍繞對方運行的時間小於5個小時。

這一對恆星，被正式名稱為PSR J1141-6545，是一個理想的引力實驗室。從2001年開始，我們每年都要跋涉幾次到帕克斯天文臺去繪製這個系統的軌道，這展示了大量和愛因斯坦引力效應相關的知識。

繪製軌道的演變並不是為了訓練耐心，而是因為我們的測量儀器是非常精確的。雖然PSR J1141-6545離我們很遠，但是我們知道脈衝星每秒旋轉2.5387230404次，而且它的軌道在太空中翻滾。

這意味著它的軌道平面不是固定的，而是在緩慢旋轉。

這個系統是如何形成的？

當一對恆星誕生的時候，那顆質量更大的先消亡，通常形成白矮星。在第二顆恆星消亡前，它會把物質轉移到它的白矮星同伴那裡。

當這些物質落向白矮星時，一個盤狀物就形成了，在數萬年的過程中，它使白矮星加速，直到每隔幾分鐘旋轉一次。

由於物質從伴星上轉移而被衝毀的白矮星。(ARC引力波發現卓越中心)

在這種罕見的情況下，第二顆恆星會爆炸成超新星，留下了脈衝星。這顆快速旋轉的白矮星會拖拽它身邊的時空，導致脈衝星的軌道平面傾斜。這種傾斜就是我們通過對脈衝星軌道的耐心繪製觀察到的。

愛因斯坦認為，他對空間和時間的許多預測是無法觀測到的。但是在過去的幾年中，我們見證了量子物理學的一場變革，包括引力波的發現和用世界範圍內的望遠鏡網絡成像出的黑洞陰影。這些發現是由價值數十億美元的設備完成的。

幸運的是，對於像帕克斯天文臺的那臺50年前的射電望遠鏡，以及一代又一代的研究生發起的耐心的運動，仍然在探索廣義相對論中發揮著自己的作用。

馬修·貝爾斯（Matthew Bailes），斯威本科技大學ARC獎得主研究員。以及馬克斯·普朗克研究所的科學人員維維克·文卡特拉曼·克裡希南(Vivek Venkatraman Krishnan)。

作者: Matthew Bailes

FY: 考拉小巫

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