來自一個國際天體物理學(xué)家團(tuán)隊在追蹤一對奇異恒星軌道近20年后，現(xiàn)在終于顯示出了令人興奮的新證據(jù)，證明了天體旋轉(zhuǎn)是如何扭曲空間和時間的，即扭曲的時空結(jié)構(gòu)。這些數(shù)據(jù)是愛因斯坦廣義相對論進(jìn)一步的證據(jù)證明，其研究發(fā)現(xiàn)現(xiàn)已發(fā)表在《科學(xué)》期刊上，再一次證明愛因斯是正確的！

一個多世紀(jì)前，阿爾伯特·愛因斯坦發(fā)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(chǎn)生這種力。

兩物體相隔無限遠(yuǎn)也受萬有引力的作用，但是牛頓也不知道，為什么會產(chǎn)生引力，高中物理必學(xué)萬有引力定律，但是學(xué)完你也不知道為什么會產(chǎn)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(jié)構(gòu)。先進(jìn)儀器設(shè)備的進(jìn)步，促使了（包括獲得諾貝爾獎）大量與廣義相對論有關(guān)現(xiàn)象的涌現(xiàn)。科學(xué)家2016年發(fā)現(xiàn)了引力波，2016我們稱之為引力波年。

第一張黑洞照片和恒星繞著銀河系中心的超大質(zhì)量黑洞旋轉(zhuǎn)圖像，就在剛剛過去的2019年發(fā)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(xué)教授、ARC引力波發(fā)現(xiàn)卓越中心主任馬修·貝爾斯領(lǐng)導(dǎo)的一個國際天體物理學(xué)家團(tuán)隊，開始用帕克斯64米射電望遠(yuǎn)鏡觀測兩顆恒星以驚人的速度繞對方旋轉(zhuǎn)。一顆是白矮星，大小相當(dāng)于地球，但密度是地球的30萬倍；另一顆是脈沖星（中子星），雖然直徑只有20公里，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(tǒng)，名為“PSR J1141-6545”。大約一百萬年前，在恒星爆炸（成為一顆脈沖星（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(zhuǎn)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(fā)表他的理論三年后）奧地利數(shù)學(xué)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(zhuǎn)的物體，都應(yīng)該會“扭曲”時空的結(jié)構(gòu)。在日常生活中，這種影響微乎其微，幾乎檢測不到。

本世紀(jì)初，這一效應(yīng)的第一個實驗證據(jù)，出現(xiàn)在繞地球運(yùn)行的航天器陀螺儀中，陀螺儀的方向被“扭曲”向地球的自轉(zhuǎn)方向。一顆快速旋轉(zhuǎn)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(yùn)行的脈沖星，為在新的極端相對論狀態(tài)下，探索愛因斯坦的理論提供了一個獨特機(jī)會。目前這項研究的主要作者、斯溫本理工大學(xué)Vivek Venkatraman Krishnan博士被賦予了一項艱巨的任務(wù)，即解開系統(tǒng)中所有互相作用的相對論效應(yīng)。

研究發(fā)現(xiàn)，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(jù)支持了這一點：表明廣義相對論仍然存在，并展示了它眾多預(yù)測中的又一項。這一結(jié)果對于團(tuán)隊成員貝爾斯、威廉·范·斯特拉滕（奧克蘭理工大學(xué)）和拉梅什·巴特來說尤其令人高興，因為他們自21世紀(jì)初以來一直長途跋涉到帕克斯64米射電望遠(yuǎn)鏡，耐心地繪制軌道圖，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(xué)研究所（MPIfR）的主要作者Vivek Venkatraman Krishnan說：一開始，這對恒星似乎表現(xiàn)出了愛因斯坦理論預(yù)測的許多經(jīng)典效應(yīng)，然后發(fā)現(xiàn)軌道平面的方向逐漸改變。脈沖星是宇宙的標(biāo)準(zhǔn)鐘，脈沖時間的任何偏差，都可能是由于脈沖星的運(yùn)動或脈沖遇到電子和磁場造成。脈沖星計時是一項強(qiáng)大的技術(shù)，研究使用射電望遠(yuǎn)鏡的原子鐘來非常精確地估計來自脈沖星的脈沖到達(dá)時間。脈沖星在其軌道上的運(yùn)動調(diào)制了到達(dá)時間，從而使其能夠進(jìn)行測量。

研究人員推測，至少在一定程度上，這可能是由于奧地利數(shù)學(xué)家倫斯和瑟林在1918年預(yù)測的那樣：所有物質(zhì)在有旋轉(zhuǎn)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(xué)的托馬斯·陶里斯(Thomas Tauris)教授說：在一對恒星中，第一顆坍塌的恒星，通常會因為其伴星的質(zhì)量轉(zhuǎn)移而快速旋轉(zhuǎn)。模擬研究幫助量化了白矮星自旋的大小，在這個系統(tǒng)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(rèn)之一，是在繞地球軌道運(yùn)行的衛(wèi)星上使用了四個陀螺儀，但在研究的天體系統(tǒng)中，這種影響要強(qiáng)1億倍。脈沖星是太空中的超級時鐘，強(qiáng)引力場中的脈沖星是愛因斯坦夢寐以求的實驗室。科學(xué)家家一直在研究這個雙星系統(tǒng)中最不尋常的一個。把來自脈沖星的周期性光脈沖，當(dāng)作時鐘的滴答聲來對待，可以看到并解開許多引力效應(yīng)，因為它們改變了軌道構(gòu)型，以及時鐘滴答聲脈沖的到達(dá)時間，在這種情況下，看到了Lense-Thirring進(jìn)動。

博科園｜研究/來自：斯威本科技大學(xué)

參考期刊《科學(xué)》

DOI: 10.1126/science.aax7007

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