實錘了！引力來自空間和時間的曲率，再次證明愛因斯坦是正確的！

2020-10-18 博科園

來自一個國際天體物理學家團隊在追蹤一對奇異恆星軌道近20年後，現在終於顯示出了令人興奮的新證據，證明了天體旋轉是如何扭曲空間和時間的，即扭曲的時空結構。這些數據是愛因斯坦廣義相對論進一步的證據證明，其研究發現現已發表在《科學》期刊上，再一次證明愛因斯是正確的！一個多世紀前，阿爾伯特·愛因斯坦發表了他著名的廣義相對論。相信你一定知道牛頓的萬有引力定律，牛頓自己也只知道萬物都會產生這種力。

兩物體相隔無限遠也受萬有引力的作用，但是牛頓也不知道，為什麼會產生引力，高中物理必學萬有引力定律，但是學完你也不知道為什麼會產生引力；所以這就更加凸顯出了愛因斯坦廣義相對論的高明之處！即引力來自空間和時間的曲率，太陽和地球等天體改變了這種幾何結構。

先進儀器設備的進步，促使了（包括獲得諾貝爾獎）大量與廣義相對論有關現象的湧現。科學家2016年發現了引力波，2016我們稱之為引力波年。第一張黑洞照片和恆星繞著銀河系中心的超大質量黑洞旋轉圖像，就在剛剛過去的2019年發布，2019我們稱之為事件視界年。

大約20年前，由斯溫本理工大學教授、ARC引力波發現卓越中心主任馬修·貝爾斯領導的一個國際天體物理學家團隊，開始用帕克斯64米射電望遠鏡觀測兩顆恆星以驚人的速度繞對方旋轉。一顆是白矮星，大小相當於地球，但密度是地球的30萬倍；另一顆是脈衝星（中子星），雖然直徑只有20公裡，但密度大約是地球的1000億倍。

這是一個相對論奇異雙星系統，名為「PSR J1141-6545」。大約一百萬年前，在恆星爆炸（成為一顆脈衝星（中子星）)）之前，它開始膨脹，拋掉了在附近白矮星上的外核。這些墜落的碎片使白矮星旋轉得越來越快，直到它的一天只能用分鐘來衡量。1918年（愛因斯坦發表他的理論三年後）奧地利數學家約瑟夫·倫斯和漢斯·瑟林意識到，如果愛因斯坦是對的，所有旋轉的物體，都應該會「扭曲」時空的結構。在日常生活中，這種影響微乎其微，幾乎檢測不到。

本世紀初，這一效應的第一個實驗證據，出現在繞地球運行的太空飛行器陀螺儀中，陀螺儀的方向被「扭曲」向地球的自轉方向。一顆快速旋轉的白矮星，就像PSRJ1141-6545中的那顆，扭曲時空的力量是地球1億倍！在這樣一顆白矮星軌道上運行的脈衝星，為在新的極端相對論狀態下，探索愛因斯坦的理論提供了一個獨特機會。目前這項研究的主要作者、斯溫本理工大學Vivek Venkatraman Krishnan博士被賦予了一項艱巨的任務，即解開系統中所有互相作用的相對論效應。

研究發現，除非能讓軌道平面的方向逐漸改變，否則廣義相對論是沒有意義的。整個軌道的框架「拖動'可以解釋其傾斜的軌道，其研究提出了令人信服的證據支持了這一點：表明廣義相對論仍然存在，並展示了它眾多預測中的又一項。這一結果對於團隊成員貝爾斯、威廉·范·斯特拉滕（奧克蘭理工大學）和拉梅什·巴特來說尤其令人高興，因為他們自21世紀初以來一直長途跋涉到帕克斯64米射電望遠鏡，耐心地繪製軌道圖，最終目的是研究愛因斯坦的理論。

馬克斯·普朗克射電天文學研究所（MPIfR）的主要作者Vivek Venkatraman Krishnan說：一開始，這對恆星似乎表現出了愛因斯坦理論預測的許多經典效應，然後發現軌道平面的方向逐漸改變。脈衝星是宇宙的標準鍾，脈衝時間的任何偏差，都可能是由於脈衝星的運動或脈衝遇到電子和磁場造成。脈衝星計時是一項強大的技術，研究使用射電望遠鏡的原子鐘來非常精確地估計來自脈衝星的脈衝到達時間。

脈衝星在其軌道上的運動調製了到達時間，從而使其能夠進行測量。研究人員推測，至少在一定程度上，這可能是由於奧地利數學家倫斯和瑟林在1918年預測的那樣：所有物質在有旋轉體存在的情況下，都會受到所謂的『框架拖拽』，即引力的作用，也就是引力來自空間和時間的曲率。奧胡斯大學的託馬斯·陶裡斯(Thomas Tauris)教授說：在一對恆星中，第一顆坍塌的恆星，通常會因為其伴星的質量轉移而快速旋轉。

模擬研究幫助量化了白矮星自旋的大小，在這個系統中，整個軌道都被白矮星的自旋拖曳著。最早的軌道「框架拖拽」確認之一，是在繞地球軌道運行的衛星上使用了四個陀螺儀，但在研究的天體系統中，這種影響要強1億倍。脈衝星是太空中的超級時鐘，強引力場中的脈衝星是愛因斯坦夢寐以求的實驗室。

科學家家一直在研究這個雙星系統中最不尋常的一個。把來自脈衝星的周期性光脈衝，當作時鐘的滴答聲來對待，可以看到並解開許多引力效應，因為它們改變了軌道構型，以及時鐘滴答聲脈衝的到達時間，在這種情況下，看到了Lense-Thirring進動。

博科園｜研究/來自：斯威本科技大學

參考期刊《科學》

DOI: 10.1126/science.aax7007

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