愛因斯坦預言再次被驗證!2400光年外,兩顆特殊天體給出證據

愛因斯坦,可謂是歷史上最偉大的物理學家之一。他在一百多年前提出的廣義相對論,是今天科學家們研究宇宙天體和宇宙現象的重要理論。直到今天,廣義相對論中的一些「預言」,仍然需要天文學家們進行更多的觀測,才能夠證明。

在經過了16年的觀測後,天文學家再一次印證了愛因斯坦的理論。兩顆遙遠的極端天體,完美地按照愛因斯坦的理論運行著。這兩個極端天體,組成了一個特殊的系統——雙脈衝星。

這個雙脈衝星系統,名字叫做PSR J0737-3039A/B,位于2400光年外。2003年,這一組雙脈衝星首次被發現,並引起了天文學家的關注。在這個系統中,天文學家們找到了印證相對論的證據。

我們知道,恒星在死亡後,根據質量大小的不同,可能會變成白矮星,中子星或者黑洞。這些都叫緻密星,顧名思義,它們的密度非常大,相對應的,體積都非常小。以中子星為例,其直徑可能僅有20公里左右,一個北京城的空間就能放下許多顆中子星,然而一顆中子星的質量最小也有太陽的1.44倍,最大的可以達到太陽的2.4倍,可見密度確實相當驚人。

中子星裡還有一種比較特殊的形式,那就是脈衝星。這種天體在具備中子星的一切特性的同時,還會從兩極向宇宙中發射強大的脈衝信號。而且,脈衝星的自轉速度相當驚人,很大一部分甚至不到1秒就能自轉一圈。在這種情況下,其兩極釋放的脈衝信號就在宇宙空間擺動,看起來像海上的燈塔一樣,所以脈衝星也被稱為宇宙燈塔。

很多人都聽說過另一個概念,叫做脈衝雙星,這和雙脈衝星是一個意思嗎?

答案是否定的。所謂的脈衝雙星,是指在一個雙星系統中,只要有一個是脈衝星即可,另一個是普通的中子星或者白矮星抑或其他天體都可以。雙脈衝星更加特殊,它要求這個雙星系統中的兩個天體都是脈衝星,這樣的要求條件就更多了。

實際上,在茫茫宇宙中,天文學家發現的脈衝雙星也不算少了,迄今為止有120多個。而被人類發現的雙脈衝星,卻只有這一個。

脈衝星是宇宙中最重要的天體之一,因為它們自身的自轉速度極為穩定,又有脈衝信號作為參考,所以它們就像是宇宙中不同尺度的「碼錶」,或者說是「宇宙尺子」的刻度,可以幫助天文學家衡量其他天體的一些參數。在今天,脈衝星不僅被用來研究引力、星際介質,甚至在未來可能成為星際旅行的參照物。

當一個天體周圍有一顆脈衝星時,我們可以通過它對脈衝星自轉速度的影響,探測關于它的資訊。而PSR J0737-3039A/B作為由兩顆脈衝星組成的雙星系統,就更值得關注了。

德國馬克斯·普朗克射電天文研究所的天文學家和天體物理學家Michael Kramer是本次研究的領導者,他說:「這是一個絕妙的實驗室,可以在有極強引力場存在的情況下,測試一些關于引力的理論。令人興奮的是,我們可以用它來測試愛因斯坦的一個理論,那就是引力波所攜帶的能量。此前的Hulse-Taylor脈衝星曾經獲得了諾貝爾獎,而這個系統的精確度是它的25倍,也是其他引力波探測器所能達到程度的1000倍!」

據觀測,這兩顆脈衝星之間的距離非常近,以至于它們的公轉週期僅有147分鐘,也就是不到兩個半小時。其中一顆的自轉週期僅有2.8秒,另一顆自轉速度更快,每秒鐘能轉44圈。由于二者的引力巨大,距離也非常近,足以影響彼此的運行。再通過它們的自轉週期,天文學家就可以研究它們會如何給對方造成影響了。

有了這麼完美的觀測物件,天文學家們還需要足夠強大的觀測設備。為此,他們一共借用了位于世界各地的7台強大的望遠鏡,對它進行了跨度達到16年的觀測。加拿大不列顛哥倫比亞大學的天體物理學家Ingrid Stairs描述說,他們對脈衝星發出的無線電光子的傳播進行了觀測,看看它在伴星的強大引力場中有怎樣的運行規律。

「我們看到了伴星周圍強大的時空曲率對光線產生了延遲作用,並且檢測到了光線出現0.04°的小角度偏轉。這在歷史上是首次,此前沒有任何實驗能夠在這麼高的時空曲率下進行。」

澳大利亞聯邦科學與工業研究組織的天體物理學家Dick Manchester表示:「除了引力波和光的傳播之外,我們這個實驗的精確性還讓我們測量了‘時間膨脹’的影響,也就是在強大的引力場中,時間會變慢的效應。」

他還說:「在考慮高速自轉的脈衝星電磁輻射對軌道模式的影響時,我們甚至還要考慮愛因斯坦的那個著名的公式:E=m*c^2。這種輻射導致了每秒鐘800萬噸質量的損失!這個數看起來很大,實則僅僅占了這個脈衝星質量的10萬億億分之3。」

聽聽這個數字,也是精確到令人震驚的程度了。

除了這些之外,還有所謂的拱線進動、慣性系拖曳效應等等由廣義相對論引申出來的「預言」,都在這個雙脈衝星系統中得到了驗證,這也得益于雙脈衝星這樣的系統過于特殊。

未來幾年,隨著更加強大的望遠鏡一個個問世,天文學家們也將有機會以更高的精度對這樣的系統進行觀測,驗證愛因斯坦的廣義相對論。研究人員甚至大膽推測,或許未來人類就可以在宇宙的極端引力場中看到相對論崩潰的狀態,從而找到統一四種基本力的萬有理論,不過這就是後話了。


用戶評論