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爱因斯坦广义相对论得到证实:天文学家观察到天体旋转扭曲了时空

参考系拖拽

“澳大利亚研究委员会引力波发现卓越中心”的教授马修·拜尔斯领导的国际天体物理学家团队展示了令人兴奋的新证据,证明了“参考系拖拽”的存在。

爱因斯坦的广义相对论预言了处于转动状态的质量会对其周围的时空产生拖拽的现象,这就是所谓的“参考系拖拽”。拜尔斯团队致力于恒星轨道研究近二十年,他们终于观察到了天体的旋转如何扭曲空间和时间。该发现为爱因斯坦的广义相对论提供了进一步的证据,2020年1月31日的《科学》杂志上刊登了这篇报告。

一个多世纪以前,阿尔伯特·爱因斯坦发表了他标志性的广义相对论,即引力是由时空的曲率产生的,而太阳和地球等物体会改变这种几何形状。科学仪器的进步已导致与广义相对论有关的的现象获得证实,2016年发现了引力波,去年,第一张黑洞视界照片公布。

大约二十年前,由斯威本科技大学教授贝勒斯引力波发现卓越中心负责人领导的团队开始使用CSIRO Parkes 64米无线电装置观测到两颗恒星自转望。一颗是白矮星,它的大小相当于地球,但密度比地球大300000倍。另一颗是中子星,直径只有20公里,大约是地球密度的1000亿倍。该系统是一种相对论性奇观的系统,科学家们将其名为为“PSR J1141-6545”。

一个快速旋转的中子星和一个白矮星,在其轨道周围拖动时空结构

大约一百万年前,在这颗恒星爆炸(成为中子星)之前,它开始膨胀,抛弃掉在附近白矮星上的外核。残骸的下落使白矮星旋转的速度越来越快,直到它的自转一天仅需要以分钟为单位。

1918年,也就是爱因斯坦发表其广义相对论后三年,奥地利数学家约瑟夫·伦斯和汉斯·特林认识到,如果爱因斯坦是对的话,所有旋转的物体都应该“拖曳”周围的时空结构。在日常生活中,这种影响微乎其微,几乎无法察觉。本世纪初,这种效应的第一个实验证据是在绕地球旋转的陀螺仪中看到的,其方向被拖向地球自旋的方向。像PSR J1141-6545中的那颗一样,一颗快速旋转的白矮星将时空拖移了1亿倍!

天体的旋转扭曲了时空

一个脉冲星在轨这样的白矮星提供了对爱因斯坦的理论研究的独特机会。

本研究的主要作者,马克斯·普朗克射电天文学研究所的维夫克·芬卡特拉曼·克里希南博士研究这个系统中所有相互竞争的相对论效应的作用。他观察到到,除非允许逐渐改变轨道平面的方向,否则广义相对论毫无意义。

马克斯·普朗克射电天文学研究所的保罗·弗里尔博士意识到,拖曳整个轨道可以解释其倾斜的轨道,并且该团队在论文报告中提供了令人信服的证据来支持这一点:它证明了广义相对论的合理性。

克里希南博士表示:“起初,恒星对似乎表现出爱因斯坦理论所预测的许多经典效果。然后,我们注意到轨道平面方向的逐渐变化。”

脉冲星是宇宙钟。它们的高旋转稳定性意味着其脉冲预期到达时间的任何偏差都可能是由于脉冲星的运动或由于脉冲遇到的电子和磁场而引起的。脉冲星计时是一项强大的技术,在射电望远镜上使用原子钟来估计脉冲星的高精度的到达时间。脉冲星在其轨道上的运动调节了到达时间,从而可以对其进行测量。

专家评论:

弗里尔博士博士说:“我们推测,这至少部分是由于所谓的“参考系拖拽”,正如奥地利物理学家约瑟夫·冷泽所预言的那样,所有物质都在旋转的物体存在下受到约束。”

奥尔胡斯大学教授托马斯·塔里斯说:“在一对恒星中,由于随后从同伴传来的质量转移,第一颗坍塌的恒星经常迅速旋转。”

马克斯·普朗克射电天文学研究所的诺伯特·韦克斯博士表示:“对参考系拖拽的最早确认是在绕地球运行的卫星中使用了四个陀螺仪,但在我们的系统中,这种效应要强1亿倍。”

SKA组织的埃文·基恩说:“脉冲星是太空中的超级钟。强引力场中的超级钟是爱因斯坦的梦想实验室。我们一直在研究这种双星系统中最不寻常的一种。将脉冲星发出的光的周期性脉冲像时钟的滴答声一样看待,我们可以看到并消除许多引力效应,因为它们改变了轨道构型以及时钟滴答脉冲的到达时间。在这种情况下,我们第一次在任何恒星系统中都看到了镜头相对旋转进动,这是广义相对论的预测。”

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