1
“光線偏折”
“時(shí)間膨脹”
“黑洞”
“引力波”
......
100多年前， 愛因斯坦提出了顛覆性的新引力理論—— 廣義相對(duì)論，它不僅解釋了恒星、行星和衛(wèi)星的精確運(yùn)動(dòng)，還作出了以上這些廣為人知的預(yù)言。
1918年，就在愛因斯坦發(fā)表廣義相對(duì)論的三年后，奧地利物理學(xué)家 Josef Lense和 Hans Thirring意識(shí)到，如果愛因斯坦是對(duì)的，那么所有旋轉(zhuǎn)的物體都會(huì)對(duì)其周圍的時(shí)空結(jié)構(gòu)造成”拖曳“。這個(gè)較少為人知的預(yù)言被稱為” 參考系拖曳“。
理解參考系拖曳的最簡(jiǎn)單方法就是想象把一個(gè)東西放在水池里然后開始旋轉(zhuǎn)它。隨著旋轉(zhuǎn)速度的增加，水會(huì)開始在物體周圍旋繞。當(dāng)一個(gè)巨大的天體旋轉(zhuǎn)時(shí)，也會(huì)發(fā)生類似的事，除了它所處的旋轉(zhuǎn)的流體就是時(shí)空本身。一個(gè)物體的旋轉(zhuǎn)速度越快，且它的質(zhì)量越大，那么拖曳效應(yīng)也就越明顯。
在日常生活中，這種效應(yīng)微乎其微，幾乎無法察覺，這也是在地球軌道上進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)是如此困難的原因。若想要探測(cè)由整個(gè)地球自轉(zhuǎn)引起的參考系拖曳，就需要用上耗資7.5億美元的 引力探測(cè)器B（Gravity Probe B）這樣的衛(wèi)星。
幸運(yùn)的是，宇宙中有許多天然的引力實(shí)驗(yàn)室，為檢驗(yàn)愛因斯坦的理論創(chuàng)造了絕佳的條件。在一項(xiàng)剛發(fā)表于《科學(xué)》上的研究中，科學(xué)家通過使用一臺(tái)射電望遠(yuǎn)鏡和一對(duì)致密恒星，在更加顯著的尺度上驗(yàn)證了參考系拖曳效應(yīng)。
2
大約20年前，澳大利亞的 帕克斯射電望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到了兩顆以驚人速度相互旋轉(zhuǎn)的恒星，其中一顆是 白矮星，另一顆則是 脈沖星。
○ 白矮星（中心）和它的伴星脈沖星構(gòu)成了一個(gè)理想的天然引力實(shí)驗(yàn)室。| 圖片來源：Mark Myer / Ozgrav
當(dāng)一顆與太陽(yáng)質(zhì)量相似的恒星在耗盡燃料后，核心便會(huì)坍縮成白矮星。在銀河系中，大約90%以上的恒星最終都會(huì)坍縮成白矮星，包括太陽(yáng)。白矮星的大小和地球差不多，但質(zhì)量卻是地球的幾十萬倍。它們的自轉(zhuǎn)速度也可以非?？欤恳粌煞昼娋妥赞D(zhuǎn)一次，而不是像地球那樣每24小時(shí)才自轉(zhuǎn)一次。
這樣一顆白矮星所造成的參考系拖曳效應(yīng)大約會(huì)是地球的1億倍。
當(dāng)然，我們無法飛到一顆白矮星周圍，也不能將衛(wèi)星發(fā)射它的周圍以探測(cè)拖曳效應(yīng)。但幸運(yùn)的是，圍繞白矮星運(yùn)行的脈沖星為探索愛因斯坦的理論提供了獨(dú)特的機(jī)會(huì)。
與白矮星相比，脈沖星完全是另一個(gè)級(jí)別。構(gòu)成脈沖星的不是常規(guī)的原子，而是 中子，這些中子緊密地靠在一起，使得它們擁有大到令人難以置信的密度——約為地球密度的1000億倍。更重要的是，這次研究的脈沖星每分鐘可以旋轉(zhuǎn)150次。
這意味著，這顆脈沖星就像會(huì)釋放光束的燈塔一樣，以每分鐘150次的頻率朝地球發(fā)出射電波。通過記錄脈沖何時(shí)抵達(dá)望遠(yuǎn)鏡，科學(xué)家就可以繪出制 脈沖星圍繞白矮星運(yùn)行的路徑。這種方法揭示出，這兩顆恒星在不到5小時(shí)的時(shí)間里就能繞對(duì)方運(yùn)行一周。
3
當(dāng)一對(duì)恒星誕生時(shí)，其中一顆恒星會(huì)先死亡，通常它會(huì)形成一顆白矮星。在第二顆恒星死亡之前，它會(huì)將物質(zhì)轉(zhuǎn)移到它的伴星白矮星上。當(dāng)這些物質(zhì)落入白矮星時(shí)，就形成了一個(gè)圓盤，它經(jīng)過數(shù)萬年的過程加速白矮星，直到白矮星開始每幾分鐘就旋轉(zhuǎn)一次。
○ 藝術(shù)構(gòu)想圖：膨脹恒星表面的物質(zhì)會(huì)落向白矮星，并在白矮星周圍形成一個(gè)快速旋轉(zhuǎn)的物質(zhì)盤。| 圖片來源：ARC Centre of Excellence for Gravitational Wave Discovery
在這種罕見的情況下，第二顆恒星會(huì)在超新星中爆炸，留下一顆脈沖星?？焖傩D(zhuǎn)的白矮星會(huì)拖曳它周圍的時(shí)空，使得脈沖星的運(yùn)行軌道平面發(fā)生傾斜。這種傾斜正是研究人員通過耐心地測(cè)繪脈沖星軌道所發(fā)現(xiàn)的。
愛因斯坦曾認(rèn)為，他的許多關(guān)于空間和時(shí)間的預(yù)言永遠(yuǎn)都無法被觀測(cè)到。但在過去幾年里，天體物理學(xué)發(fā)生了一場(chǎng)革命，人們發(fā)現(xiàn)了引力波，利用全球范圍內(nèi)的望遠(yuǎn)鏡網(wǎng)絡(luò)對(duì)黑洞的剪影進(jìn)行了成像。這些發(fā)現(xiàn)都是由價(jià)值數(shù)十億美元的設(shè)備完成的。
幸運(yùn)的是，在探索廣義相對(duì)論的過程中，仍有一些工作可以由像帕克斯這樣的已使用了50年之久的射電望遠(yuǎn)鏡來完成，以及還有一些需要幾代研究人員付諸耐心去探索的問題。
參考來源：
https://science.sciencemag.org/content/367/6477/577
https://eurekalert.org/pub_releases/2020-01/tarc-awt012820.php
