16 年雙脈衝星系統觀測再度挑戰廣義相對論,結果:愛因斯坦還是對的

作者 | 發布日期 2021 年 12 月 14 日 13:56 | 分類 天文 Telegram share ! follow us in feedly


過去 105 年來,科學家們努力反覆測試愛因斯坦的廣義相對論,試圖找出不足之處,然而至今一個都沒找到。現在,一項觀察特殊雙脈衝星系統 PSR J0737-3039 長達 16 年的研究,再度證實了廣義相對論多項預測完全正確,簡直就是越檢驗越屹立不搖。

脈衝星、磁星都屬於中子星,它們具有超高密度物質、超導/超流體內部、超高速自轉、超強引力與磁力等特性,是繼黑洞後宇宙密度最大的天體,但在至今已知的數千顆中子星中,磁星與脈衝星僅發現數十至數百顆,相對罕見。

當中,PSR J0737-3039 又是目前唯一已知由雙脈衝星互相繞旋組成的系統,其中一顆每秒自轉 45 次,另一顆每秒自轉 2.8 次,兩者每 2.5 小時相互繞旋一圈,它們就像宇宙中的燈塔,從極點規律發射無線電波束並產生極強大引力場。由於角動量守恆,中子星自轉非常穩定,但它們又幾乎和黑洞一樣緊湊,也就是說,脈衝星像時鐘規律的脈衝輻射存於被強力彎曲的時空中,是我們測試引力理論最好的對象之一。

近 16 年來,由德國馬克斯·普朗克電波天文研究所天文學家 Michael Kramer 領導的團隊,透過世界各地 7 台望遠鏡一直在監測 PSR J0737-3039,若根據廣義相對論,雙脈衝星系統的極端加速度會拉緊時空結構並發出漣漪,進而減慢系統速度,預計 2 顆脈衝星將在 8,500 萬年後碰撞。

而來自脈衝星類似時鐘的規律滴答聲是追蹤微小擾動的完美工具:電波望遠鏡偵測到的脈衝訊號抵達時間,會被雙星軌道運動以一種特有方式改變,只要長期監測這種時間差,就可以測量軌道運動微小變化,比如過去對 Hulse-Taylor 脈衝星(第一個已知包含脈衝星的雙星系統)的觀測結果,表明系統公轉軌道半徑縮小且公轉速度加速,說明軌道能因重力波輻射而損失。

▲ 世界各地 7 台電波望遠鏡長達 16 年的數據,證明廣義相對論是對的。

比起 Hulse-Taylor 脈衝星,PSR J0737-3039 在研究引力方面優於前者,研究團隊總共測試了廣義相對論中 7 項預測,包括雙星橢圓軌道方向的變化(拱點進動,Apsidal precession)、脈衝星在旋轉時拖動時空的方式(冷澤-提爾苓進動,Lense-Thirring Precession)等,結果顯示所有參數都與廣義相對論預期的一致。

此外,透過測量脈衝星走完一圈公轉軌道所需的時間,研究人員確定這對脈衝星每天彼此更靠近 7 毫米,表明脈衝星的軌道正在縮小,原因就是重力波向外振動帶走能量,顯然就算新的數據讓觀測精度提高 25 倍,廣義相對論仍通過了更嚴苛的考驗。

第三,研究還發現脈衝星正在失去質量,自轉速度更快的那顆脈衝星每秒損失約 800 萬噸物質,以前這種現象因太過渺小而被忽略,但高精度新數據證明了脈衝星隨時間推移微微減速並失去質量,同時微妙地讓軌道產生變化。

最後,研究人員還有了脈衝星半徑的頭緒,藉由拖曳效應得知自轉速度更快的脈衝星半徑必須小於 22 公里。

而一些意欲取代廣義相對論的理論認為,脈衝訊號抵達時間可能與廣義相對論預測存在較大偏差,但這篇研究證明了各種參數都與廣義相對論達到驚人一致,準確率 99.99% 以內。

要到哪一天,科學家才可能發現廣義相對論的盲點呢?新論文發表在《Physical Review X》期刊。

(圖片來源:CSIRO

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