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脉冲星在全新领域验证广义相对论

天文学家利用欧南台的甚大望远镜和全世界的射电望远镜发现和研究了一对恒星,这对恒星由最大质量中子星和绕它转的白矮星组成。

艺术家印象中的脉冲星PSR J0348+0432及其白矮星伴侣。影像提供:ESO/L. Calcada

这对奇怪的新的双星系统使得爱因斯坦的广义相对论的验证方式有了全新的方式。到目前为止,新观测和广义相对论的预言精确吻合,和其它理论却不一致。这些结论发表在2013年4月26日的《科学》上。

一个国际团队发现了一个异常的双星系统,包含一颗微小然而异常重的中子星,每秒钟自转25次,每两个半小时绕白矮星转一圈。中子星是辐射射电波的脉冲星,地球上的人利用射电望远镜能够发现它。虽然这对异常的恒星非常有意义,也是验证物理理论极限的独特的实验室。

这颗脉冲星被命名为PSR J0348+0432,是超新星爆发的残余。它是太阳的两倍重,但只有20公里宽。它表面的引力比地球上的强3千亿倍,在它的中心每立方体积内挤压着10亿吨物质。它的伴侣白矮星也很特异,是一颗轻得多的恒星失去其大气并缓慢地变冷后的发光的残余。

“我在用欧南台的甚大望远镜观测这个系统,寻找白矮星辐射出的光的变化,这些变化由它绕脉冲星的运动引起,”约翰·安东尼阿迪斯说,他是位于波恩的马克普朗克射电天文学研究所(MPIfR)的博士生,是论文的第一作者。“快速的实地分析让我意识到这颗脉冲星相当重。它的重量是太阳的两倍,使得它成为迄今已知的最大质量的中子星,也是研究基本物理学的完美的实验室。”

爱因斯坦的广义相对论解释引力为由于物质和能量的存在造成的时空弯曲的结果,自从一个世纪前发表以来,经受住了所有验证。但它不是最终的解释,最终必然失效。

物理学家设计并建立了其它引力理论,这些理论做出的预言和广义相对论的预言不同。这些差异只有在极端强大的引力场情况下才会显现,在太阳系内不会发现。就引力而言,PSR J0348+0432是一颗真正极端的天体,甚至和已经在高精度验证中使用过的其它脉冲星比较。在那样强大的引力场内,物质的小增加能导致天体周围的时空的大变化。至今,天文学家仍然不知道在那样大质量的中子星PSR J0348+0432存在的情况下将会发生什么事情。这奉献了一个独特的机会把验证推向新的领域。

这个国际团队综合甚大望远镜对白矮星的观测以及射电望远镜对脉冲星的非常精确的观测。那样密近的双星系统辐射引力波并损失能量。这引起轨道周期非常微小的变化,广义相对论对这种变化的预言和其它理论的预言是不同的。

“我们的射电观测如此精确,我们已经能够测量轨道周期每年8百万分之一秒的变化,和爱因斯坦的理论预言精确吻合,”保罗·夫勒热宣称道,他是另一位团队成员。

这只是对这颗独特天体的细节研究的开始,天文学家将利用它在更高的精度上验证广义相对论。

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