www.yabovip.com-这种“宇宙之舞”拖着时间和空间

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天文学家用帕克斯射电望远镜观察参考系拖曳。资料来源:美国科学进步协会网站

今日观点

一个多世纪前,爱因斯坦提出了广义相对论,许多物理学家预测了广义相对论可能引起的其他效应。参考系拖曳是其中之一。这也是广义相对论的“强”实验验证方法。

在过去的100年里,广义相对论已经在宇宙中被大规模地不断验证,但是参考系统的拖曳性还没有被验证。然而,最近美国杂志《科学》发表了一项由澳大利亚斯温伯恩科技大学领导的研究。经过20年的追踪,天文学家首次证实了一对罕见的致密恒星的参考拖曳效应。

相对论和参考系阻力

现代物理学中最深刻的理论之一,广义相对论,诞生于1916年。它描述了物质之间的引力相互作用,并首次将引力场解释为空间和时间的曲率。

现在,理论和科学仪器的进步导致了与广义相对论相关的更深远的研究被证实。例如,2016年引力波的发现;2019年发布的第一张超大质量黑洞图像。

不幸的是,参考阻力尚未得到验证。

广义相对论发表三年后,两位奥地利物理学家约瑟夫·拉姆斯菲尔德和汉斯·特罗林意识到,根据爱因斯坦的推理,一个巨大的天体,如地球,会扭曲周围的时空,而天体的重力会拖动时空一起旋转。这种现象被称为参考帧拖动或惯性帧拖动。

在日常生活中,影响是如此之小,以至于几乎察觉不到。然而,对于一个旋转的巨大天体来说,它应该对周围的时空有一个拖曳效应。

就像把棒棒糖放进装满糖浆的碗里。当我们保持棒棒糖的位置并快速转动棒(旋转)时,周围的糖浆会搅动,因为它是由摩擦力驱动的,而引力场会围绕天体拖动空间和时间。

这太难观察了。

尽管目标是一个巨大的物体,参考系的阻力仍然很弱。一个世纪后,科学家仍然无法在宇宙中找到这种效应的任何痕迹。

从20世纪90年代到本世纪初,美国国家航空航天局的科学家试图使用极其灵敏的仪器来探测地球自转造成的时空阻力。为此,美国国家航空航天局先后开展了耗资7.5亿美元的激光激光重力探测实验和重力探测b实验,通过陀螺仪来发现这一效应。最后,重力探测B实验再次成功验证了广义相对论的预测,而参考系统拖曳效应的预期信号强度与当前噪声强度的大小相同(这些噪声主要来自一些尚未建模的物理效应),这与预测的大小不一致。

事实上,在浩瀚的星空中,我们的家园地球只是一颗质量小、旋转速度慢的行星,其参考系拖曳效应太弱。鉴于此,天文学家开始把目标放得更宽——,比如一些高速旋转的大质量恒星。

所以在1999年,澳大利亚天文学家锁定了一对2000光年外的南十字星,通过公园射电望远镜来表演“宇宙之舞”。

该系统名为PSRJ1141-6545,由一颗白矮星及其伴星脉冲星组成。其中,白矮星的质量是地球的30万倍,脉冲星的质量大约是地球的40万倍,但脉冲星的直径只有20公里,仅相当于一座城市的直径。宇宙中自然重力实验室实在太多了。一旦目标被固定,天文学家将耐心地观察它很长时间。他们发现这颗白矮星的旋转周期只有几分钟,而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。

但这种效应仍然不足以让地球上的望远镜观察到。幸运的是,还有一颗围绕白矮星运行的脉冲星。

脉冲星实际上是快速旋转的中子星。当我们看到这颗脉冲星的体积与质量之比是多么不可思议时,我们知道它的密度是多么可怕,——,大约是地球密度的1000亿倍。更重要的是,它可以每分钟旋转150次。

对我们地球人来说,它就像一个精确的时钟和一个发出信号的灯塔。通过记录脉冲到达望远镜的时间,地球上的科学家可以绘制出白矮星周围脉冲星的路径。一旦信号间隔改变,这意味着脉冲星的轨道已经转移。这种偏移正是找到参考帧拖动的最佳起点。

最后,通过反复绘制脉冲星轨道,团队发现了一个微小的偏移。然而,考虑到其他因素可能有类似的影响,该小组增加了数据处理,以从信号中筛选出其他因素的干扰,并确定了轨道平面方向的长期和逐渐变化,这超出了对其他影响的解释。

计算机模拟后来证实这对双星的诞生过程与推测一致。长达20年的研究终于为困扰物理学100年的一个猜想提供了最精确的天文学验证。

团队成员说这个发现让他们所有深夜和清晨的努力变得“有价值”。

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