广义相对论是爱因斯坦基于狭义相对论衍生出的一套更加完善的理论,广义相对论充满了关于空间和时间受到大质量物体影响的神秘预测。从引力波到暗物质对光的透镜效应,但最奇怪的预测之一是一种称为帧拖动的效果。这种影响非常微妙,10年前才开始测量。现在天文学家已经测量了白矮星周围的影响,它告诉我们一些超新星是如何发生的,换句话说科学家已经在遥远的光年外“验证”了广义相对论

广义相对论再次被证实!12000光年外发现宇宙扭曲证据-MAAMX

帧拖动

广义相对论中,引力不是一种力。质量的存在可以使周围的空间弯曲,这意味着在质量附近移动的物体会偏离直线路径。这个偏转看起来就像物体被一种我们称之为重力的力拉向质量聚集处。当一个大质量体在旋转时,空间也会在旋转方向上略微扭曲。正是这种效果被称为帧拖动。

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如图,你可以在上图中看到帧拖动的演示图。中心物体是一个巨大的旋转体,假设它是黑洞。红点代表“静止”的点,这意味着它们不会在空间中移动。相反,它们移动是因为身体周围的空间由于旋转而扭曲。这种框架拖曳效应是一个物体可能具有的任何轨道运动效应,也是黑洞周围吸积盘变得如此炽热的部分原因。

为了测量帧拖动的影响,科学家模拟实验场景。由于在宇宙的尺度来讲,地球并不算大,因此近地的帧拖动效应并不冥想。因此必须用一颗特殊的卫星来测量。太空船被称为重力探测器B,它包含了有史以来最接近球形的物体之一。一旦进入太空,球体就开始旋转,科学家随着时间的推移观察它的现象。

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在没有帧拖动的情况下,绕地球旋转的球体应该始终保持相同的方向,就像陀螺仪一样。地球的引力不能使它自己扭曲,但是帧拖动可以影响它。由于地球自转,离地球较近的空间区域的扭曲速度略快于离地球较远的空间区域。这意味着离地球较近的那部分会受到一点推动,因此它的方向会随着时间而改变。我们称之为透镜-三环进动。2015年,研究小组测量了这一进动,它完全符合广义相对论

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虽然像白矮星和中子星这样的大质量物体周围的帧拖动更大,但测量起来并不容易。要测量一个物体的帧拖动,你需要有物体围绕它旋转。幸运的是,许多白矮星和中子星是双星系统的一部分。所以最近一个研究团队恰好用一个双星系统来研究帧拖动的影响。

12000光年外的证据

1999年,澳大利亚帕克斯射电望远镜发现了脉冲星PSRJ1141-6545。它是一颗中子星,与白矮星处于双星轨道。这两颗恒星之间的距离大约只有太阳的宽度,它们每隔五小时绕着彼此运行一圈。这颗中子星是怎么来的呢?科学家发现当大恒星死亡并变成超新星时,脉冲星就形成了。这意味着这个双星系统曾经是一个大恒星围绕白矮星运行的双星系统。当这颗恒星到达生命的尽头时,来自其外层的物质将被白矮星捕获,也就是说白矮星形成于脉冲星之前。科学家还发现它每100秒旋转一次,这对白矮星来说是相当快的转速。而这对双星系统来自12000光年外!

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由于脉冲星每隔一段时间发射一个尖锐的射电脉冲,天文学家可以利用它们对脉冲星的运动和轨道进行极其精确的测量。这些测量数据非常精确科学家可以用它们来测量广义相对论的影响,包括帧拖动。由于白矮星在旋转,脉冲星的轨道随时间稍微进动,所以相关进动量取决于白矮星的质量和转速。在观察了20年的脉冲星之后,研究小组不仅观察到了帧拖动,还利用它测量了白矮星的转速。这是一次历史性的突破!