广义相对论，爱因斯坦又对了

本文来自微信公众号：原理（ID：principia1687），作者：不二北斗，头图来自：MPIfR

一

中子星，是宇宙中最致密的天体之一。一些中子星的磁极会释放出电磁辐射束，高速的自旋使得放出的辐射束像灯塔放出的光一样，以一定的间隔掠过地球。这些快速旋转的中子星也被称为脉冲星。

自乔瑟琳·贝尔·伯奈尔（Jocelyn Bell Burnell）于1967年首次发现脉冲星以来，已经有大量脉冲星得到了确认。但到了2003年，科学家首次发现了一个彼此围绕的脉冲星双星系统，这个系统被命名为J0737-3039。

这个双脉冲星系统由两颗脉冲星组成，其中一颗的自转速度非常快，大约每秒旋转44次；另一颗年轻的伴星的自转周期大约2.8秒。这个脉冲星双星系统的强大引力场，为科学家向爱因斯坦的引力理论——广义相对论，发起最严格的检验提供了一个近乎完美的引力实验室。

自发现以来，天体物理学家就开始持续观测这一系统。现在，一个由来自10个国家的研究人员组成的国际团队，公布了由全球7台射电望远镜在长达16年的时间里收集到的J0737-3039的观测数据，表明他们以所未有的精度水平验证了广义相对论，并揭示了一些新的、从未被观测证实的（但符合理论预期的）相对论效应。

12月13日，研究人员将最新的结果发表在了《物理评论X》杂志上。

 两颗彼此围绕的脉冲星（蓝色圆圈）所发出的辐射束（黄色光束）受强磁场（浅蓝色甜甜圈装物）引导。这两颗脉冲星揭示了由脉冲星引起的时空扭曲效应（蓝色网格)，验证了爱因斯坦的广义相对论。｜图片来源：M. Kramer / Max Planck Institute for Radio Astronomy

二

在新的研究中，物理学家对双脉冲星的一系列特征进行了测量，得到了许多独一无二的见解。

首先，通过测量这两颗脉冲星完成每次轨道运行所需的时间，研究人发现脉冲星的轨道正在收缩，它们每天向彼此靠近约7毫米。而之所以会出现这种轨道收缩现象，是因为当两颗脉冲星在绕彼此运行时会搅动时空，释放出引力波，携带走能量。

上世纪70年代，天文学家首次在一个由脉冲星和中子星组成的双星系统中观测到了这种收缩效应，为引力波的存在提供了早期证据。这次，新结果再次验证了这一点，且其测量精度是之前测量结果的25倍，是目前可使用的引力波探测器的1000倍。

除了引力波之外，在分析双脉冲星的轨道因电磁辐射的影响而改变时，研究人员还考虑到了另一种微妙的效应，这种效应与爱因斯坦著名的质能方程E=mc²有关。在过去的研究中，科学家会在计算中忽略这种效应，因为它太过于微弱。但现在，由于对轨道的测量已经足够精确，所以有必要将它考虑在内。

通过质能等价关系，研究人员发现随着时间的推移，脉冲星逐渐减速，失去旋转能量，这种能量损失意味着速度更快的那颗脉冲星每秒会损失约800万吨的质量！不过，这个数字虽然看起来很大，但它只会对轨道造成微小的影响。

此外，新的研究还通过探测从一颗脉冲星发出的射电光子，并追踪它们在伴星的强引力场中的运动，首次观测到了光不仅因为伴星周围的强大时空曲率而延迟，而且还存在0.04°的小角度偏转的现象。在此之前，从未有实验在如此高的时空曲率下进行过这样的测量。

除了光的偏转角度之外，研究人员还通过测量光经过伴星时的时间，获得了与这个双脉冲星的形成有关的线索。他们发现，更快的那颗脉冲星的自旋方向与它的轨道方向相同，这一信息表明，这两颗脉冲星在开始的时候是两颗相邻的恒星，它们一个接一个地发生爆炸。在通常情况下，当一颗恒星爆炸时，它遗留下的遗迹会被踢开，导致这样的双星系统“被迫分开”。如果速度越快的那颗脉冲的自旋与其轨道方向越一致，则意味着形成脉冲星的爆炸并没有给它带来太大的震动，这也就解释了为何这两颗脉冲星结合得如此紧密。

最后，研究人员还得到了与脉冲星半径有关的线索。根据引力效应，他们计算出轨道的椭圆每年会进动约17°。但在这项新研究中，存在一个微妙的调整，那就是脉冲星在旋转时会拖拽身后的时空结构，就像一个旋转舞者在扭动裙摆，改变了进动。这种拖曳效应意味着，速度更快的脉冲星的半径必须小于22千米。如果未来的工作能使这一估计更加精确，或将有助于揭示构成脉冲星的密度极高的中子星物质的物理特性。

三

为什么要在越来越严苛的条件下检验广义相对论？

我们知道，广义相对论是目前描述引力的最好理论。但是，广义相对论与描述了其他三种基本力的量子力学互不相容，这就促使科学家想要在实验室以及天文观测中，找到任何广义相对论可能存在偏差的蛛丝马迹。

然而，一个多世纪过去了，广义相对论已经历了不可尽数的严格检验，但仍然没有受到撼动。最新的研究结果显示，所有的观测值都与爱因斯坦的理论预测值相符，这再一次证明了——爱因斯坦是对的。现在，研究人员正在思考接下来还有哪些微妙的效应应被纳入考量。他们期待着在未来的某一天，能够测量到与广义相对论的偏差。

接下来，这个双脉冲星系统将继续被监测，科学家期待下一次当它的脉冲时间发生变化时，会给我们带来其他新的启示。

参考来源：

https://www.sciencenews.org/article/pulsar-dead-stars-general-relativity-einstein

https://www.uea.ac.uk/news/-/article/challenging-einsteins-greatest-theory-with-extreme-stars

https://physics.aps.org/articles/v14/173

https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.11.041050

本文来自微信公众号：原理（ID：principia1687），作者：不二北斗