100多年前,在爱因斯坦提出广义相对论后,不少天文学家提出了通过天文观测验证广义相对论的猜想,坐标系拖曳效应就是其中之一。如今,广义相对论早已得到验证,但微弱的坐标系拖曳效应始终没有得到观测证实。终于,在一项发表于《科学》杂志的研究中,澳大利亚斯威本科技大学领导的研究团队从一个罕见的双星系统中,首次证实了该效应。

Science论文证实百年猜想 再次验证广义相对论-MAAMX

通过帕克斯射电望远镜,天文学家首次观测到坐标系拖曳现象。(图片来源:Mark Myers ARC Centre of Excellence for Gravitational Wave Discovery )

1916年,爱因斯坦发表了对现代物理学影响深远的广义相对论。但在广义相对论诞生之初,很多物理学家对此持怀疑态度——毕竟,如此具有颠覆性的理论,只有通过了观测验证,才能真正被广大学者接受。

广为人知的是,100年前,英国科学家爱丁顿用著名的日全食实验首次验证了广义相对论。但除此之外,还有不少物理学家预测了广义相对论可以导致的其他效应。坐标系拖曳,就是其中之一。

1918年,两位奥地利物理学家Josef Lense和Hans Thirring意识到,如果广义相对论成立,那么任何天体在自转时,都会对周围的时空产生拖曳效应,这种现象被称作坐标系拖曳(Frame-dragging)或惯性系拖曳。

下面这个例子,可以帮助我们理解上述现象。我们向一只碗里倒入粘稠的糖浆,然后把一根球形的棒棒糖按进去。这时我们快速转动棒棒糖的棍子,会看到什么现象?棒棒糖周围的糖浆开始跟着旋转。同样,任何做着自转的天体,其周围的时空也会跟着偏移。只不过,糖浆是被摩擦力拖动,而拖曳时空的则是引力场。

虽然理论上说得通,但要真正观测到这个现象,却异常困难。坐标系拖曳效应太微弱了。几乎整个20世纪,人们从宇宙中寻找该效应的努力始终没有成果。

20世纪90年代到本世纪初,科学家试图用足够灵敏的仪器检测地球自转产生的时空拖曳。为此,NASA先后启动了LAGEOS卫星实验和引力探测B实验,通过陀螺仪等灵敏的手段寻找这一效应。这两项实验,尤其是引力探测B实验有所收获,检测到了与广义相对论预言一致的结果。但这些实验的误差控制,始终没有达到预期。

罕见的双星系统

由于质量小、转速慢的地球的坐标系拖曳效应太过微弱,天文学家将视线投向更遥远的宇宙,希望在高速旋转的大质量天体中观测到该效应。

1999年,澳大利亚天文学家通过帕克斯射电望远镜,发现两千光年外的南十字星座中存在一个特殊的双星系统。这个名为PSR J1141-6545的双星系统,由一颗白矮星和它的伴星脉冲星组成。其中,中子星直径只有20千米,质量却超过了整个太阳系。而白矮星质量略小于这颗中子星,体积与地球相当。

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白矮星与围绕其运转的脉冲星组成的双星系统。(图片来源:Mark Myers ARC Centre of Excellence for Gravitational Wave Discovery)

对于天文学家来说,这个双星系统为观测坐标系拖曳效应提供了绝佳场所。

一方面,这颗白矮星的自转周期只有几分钟,高速旋转的白矮星产生的坐标系拖曳效应,是地球的1亿倍之多。

当然,仅仅产生这个效应,并不足以让地球上的望远镜观测到。这时,绕白矮星运行的脉冲星成了关键。脉冲星是快速旋转的中子星,如同海面上的灯塔,其磁极在自转的同时不断发出射电束。对于地球上的观测者而言,这一一束信号如同精准的时钟,忠实记录着脉冲星的运动轨迹。如果信号间的时间间隔出现变化,则意味着脉冲星的运行轨道出现了偏移。而这样的偏移,恰好成为寻找坐标系拖曳效应的窗口。

另一个不容或缺的因素,是PSR J1141-6545极为罕见的诞生过程。白矮星与中子星组成的双星系统很常见,但这样的系统中,中子星往往率先形成。而白矮星更“年长”的双星系统,算上PSR J1141-6545,目前得以确认的一共只有两个。

在这样的系统中,一颗恒星率先死亡,形成白矮星。白矮星获取伴星的气态物质,旋转加速;随后,其伴星通过超新星爆发形成脉冲星。

这一点之所以重要,是因为与普通的双星系统相比,PSR J1141-6545可以保留脉冲星典型的磁场特征,帮助天文学家分辨出其轨道信息。

发现信号

这个汇聚了一切有利条件的系统,自然成为研究团队关注的焦点。自2000年起,澳大利亚的帕克斯望远镜和UTMOST射电望远镜开始对其进行持续观测,希望找到轨道参数长期变化的证据。

2015年,他们终于观测到了轨道微弱的偏移。但这还不够——除了这个效应,其他因素也可能产生影响,例如自转本身会将中子星压缩得更“扁”,从而改变其引力场。因此,研究团队通过数据处理,从信号中筛去其他因素的干扰,找到了轨道平面方向长期、逐步的变化——只有这样的信号,才是其他效应无法解释的。

下一个问题是,这个罕见的双星诞生过程是否成立?计算机模拟证实了这种可能性。这些天文学家找到了丹麦奥胡斯大学的Thomas Tauris,通过模拟验证了这个过程。研究发现,在对两颗恒星最初的质量及轨道进行严格限制后,类似于PSR J1141-6545的系统完全有可能出现。

在近期发表于《科学》杂志的论文中,研究团队报道了这一发现。

这项研究终于为延续一百年的猜想,提供了精确的天文学观测验证,也再一次证实了广义相对论。除此之外,坐标系拖曳效应的发现,对于现代天文学还有着其他意义。

作为宇宙中最致密的物质,中子星内的成分始终没有确切的答案。这项研究的第一作者Venkatraman Krishnan表示,在两颗脉冲星构成的双星系统中,应该也能观测到该效应。这样的观测,可以帮助科学家确认这些脉冲星的准确体积,从而揭示其神秘的内部组成。