时间膨胀——时空被拖曳了

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“光线偏折”

“时间膨胀”

“黑洞”

“引力波”

......

100多年前,爱因斯坦提出了颠覆性的新引力理论——广义相对论,它不仅解释了恒星、行星和卫星的精确运动,还作出了以上这些广为人知的预言。

1918年,就在爱因斯坦发表广义相对论的三年后,奥地利物理学家Josef LenseHans Thirring意识到,如果爱因斯坦是对的,那么所有旋转的物体都会对其周围的时空结构造成”拖曳“。这个较少为人知的预言被称为”参考系拖曳“。

理解参考系拖曳的最简单方法就是想象把一个东西放在水池里然后开始旋转它。随着旋转速度的增加,水会开始在物体周围旋绕。当一个巨大的天体旋转时,也会发生类似的事,除了它所处的旋转的流体就是时空本身。一个物体的旋转速度越快,且它的质量越大,那么拖曳效应也就越明显。

在日常生活中,这种效应微乎其微,几乎无法察觉,这也是在地球轨道上进行相关实验是如此困难的原因。若想要探测由整个地球自转引起的参考系拖曳,就需要用上耗资7.5亿美元的引力探测器B(Gravity Probe B)这样的卫星。

时空被拖曳了

幸运的是,宇宙中有许多天然的引力实验室,为检验爱因斯坦的理论创造了绝佳的条件。在一项刚发表于《科学》上的研究中,科学家通过使用一台射电望远镜和一对致密恒星,在更加显著的尺度上验证了参考系拖曳效应。

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大约20年前,澳大利亚的帕克斯射电望远镜观测到了两颗以惊人速度相互旋转的恒星,其中一颗是白矮星,另一颗则是脉冲星

时空被拖曳了

○ 白矮星(中心)和它的伴星脉冲星构成了一个理想的天然引力实验室。| 图片来源:Mark Myer / Ozgrav

当一颗与太阳质量相似的恒星在耗尽燃料后,核心便会坍缩成白矮星。在银河系中,大约90%以上的恒星最终都会坍缩成白矮星,包括太阳。白矮星的大小和地球差不多,但质量却是地球的几十万倍。它们的自转速度也可以非常快,每一两分钟就自转一次,而不是像地球那样每24小时才自转一次。

这样一颗白矮星所造成的参考系拖曳效应大约会是地球的1亿倍。

当然,我们无法飞到一颗白矮星周围,也不能将卫星发射它的周围以探测拖曳效应。但幸运的是,围绕白矮星运行的脉冲星为探索爱因斯坦的理论提供了独特的机会。

帕克斯射电望远镜发现的这个系统被称为PSR J1141-6545,其中白矮星的质量为地球的30万倍,脉冲星的质量则约为40万倍,其大小与一座城市差不多(直径约为20千米)。

与白矮星相比,脉冲星完全是另一个级别。构成脉冲星的不是常规的原子,而是中子,这些中子紧密地靠在一起,使得它们拥有大到令人难以置信的密度——约为地球密度的1000亿倍。更重要的是,这次研究的脉冲星每分钟可以旋转150次。

这意味着,这颗脉冲星就像会释放光束的灯塔一样,以每分钟150次的频率朝地球发出射电波。通过记录脉冲何时抵达望远镜,科学家就可以绘出制脉冲星围绕白矮星运行的路径。这种方法揭示出,这两颗恒星在不到5小时的时间里就能绕对方运行一周。

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○ PSR J1141-6545是由CSIRO的帕克斯射电望远镜发现的白矮星-脉冲星双星系统。脉冲星每4.8小时绕白矮星运行一周,白矮星的快速旋转会拖曳着它周围的时空,导致整个轨道在太空中翻滚。| 图片来源:Mark Myers/ARC Centre of Excellence for Gravitational Wave Discovery (OzGrav)

PSR J1141-6545是一个理想的引力实验室。自2001年以来,研究人员每年都会好几次地长途跋涉到帕克斯来绘制这个系统的轨道图,它似乎能够展示爱因斯坦理论预测的许多经典效应。

轨道演化图的绘制不是一项缺乏耐心的人可以完成的工作,研究人员获得的测量数据非常精确。尽管PSR J1141-6545距离我们有百亿亿千米之远,但研究人员知道这颗脉冲星每秒旋转2.5387230404次,它的轨道平面不是固定的,而是缓慢旋转的。

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那么,PSR J1141-6545是如何形成的呢?

当一对恒星诞生时,其中一颗恒星会先死亡,通常它会形成一颗白矮星。在第二颗恒星死亡之前,它会将物质转移到它的伴星白矮星上。当这些物质落入白矮星时,就形成了一个圆盘,它经过数万年的过程加速白矮星,直到白矮星开始每几分钟就旋转一次。

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○ 艺术构想图:膨胀恒星表面的物质会落向白矮星,并在白矮星周围形成一个快速旋转的物质盘。| 图片来源:ARC Centre of Excellence for Gravitational Wave Discovery

在这种罕见的情况下,第二颗恒星会在超新星中爆炸,留下一颗脉冲星。快速旋转的白矮星会拖曳它周围的时空,使得脉冲星的运行轨道平面发生倾斜。这种倾斜正是研究人员通过耐心地测绘脉冲星轨道所发现的。

爱因斯坦曾认为,他的许多关于空间和时间的预言永远都无法被观测到。但在过去几年里,天体物理学发生了一场革命,人们发现了引力波,利用全球范围内的望远镜网络对黑洞的剪影进行了成像。这些发现都是由价值数十亿美元的设备完成的。

幸运的是,在探索广义相对论的过程中,仍有一些工作可以由像帕克斯这样的已使用了50年之久的射电望远镜来完成,以及还有一些需要几代研究人员付诸耐心去探索的问题。

参考来源:

https://science.sciencemag.org/content/367/6477/577

https://theconversation.com/warp-factor-weve-observed-a-spinning-star-that-drags-the-very-fabric-of-space-and-time-130201

https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-01/tarc-awt012820.php

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