@ 2018.01.31 , 21:00

脉冲星验证了广义相对论的强等效原理

迄今为止,爱因斯坦的广义相对论依然是有史以来最为成功的理论之一,但这并不意味着它就是最终的真理——或者说科学家应该停止去挑战它。每一次,理论通过科学家的验证时,我们都能从中获取一点宇宙的奥秘。

2012年,新发型的星系被人们当作最新的试金石。现在,一个国际合作研究团队再一次证明,我们的宇宙到现在为止都遵循着爱因斯坦的理论。

被称为PSR J0337 + 1715的脉冲星,位于金牛座,据地球大约4200光年,具有极不寻常的轨道。它和两颗白矮星组成了一个三星系统,可以帮助物理学家检验广义相对论的预言——等效原理。该原理认为,引力会以相同的速率加速所有物体,不论其密度和成分如何。

脉冲星验证了广义相对论的强等效原理
credit:123RF

这是一个十分著名的概念,很多受过基础教育的孩子都应该听说过伽利略的比萨斜塔两个铁球的实验。虽然现在历史学家大多认为它是思想实验,并没有真的发生。但是,我们可以确定地说,伽利略确实发现滑下同一斜坡的物体,都具有相同的加速度。

利用艾萨克·牛顿的万有引力定律中的符号化和公式化推导,我们知道,由于引力造成的物体加速与物体的质量本身无关。

1971年,宇航员戴夫·斯科特(Dave Scott)站在月球上同时松手放下了一把锤子和一根羽毛,因为没有空气阻力来减缓羽毛,两个物品以相同的速度落到月球表面。这成为了历史上最有名的一段视频录像。

好的,回到PSR J0337 + 1715。先前的测试已经成功地证明了弱等效原理。但是,根据广义相对论,面对极端庞大的质量会将自身压缩,转变成能量,而这部分能量也会受到引力场的作用,至少按照相对论应该如此。

这也是广义相对论最为奇特的地方。

“除了广义相对论,其他任何重力理论在试图包容强等效原理上都是具有瑕疵的。”美国国家射电天文台研究员Scott Ransom在去年7月对《新科学人》杂志说。

三星系统中有两颗是白矮星,它们是红巨星坍塌后留下的、非常致密灼热的、恒星核心残余物。

第三个是脉冲星,一种高速旋转、密度极高的中子星。当它围绕轴心自转时,就像一座巨大的宇宙灯塔,以令人难以置信的精确性向外辐射电磁脉冲。它比周围的白矮星要重得多。

因为中子星的脉冲非常规则——两次脉冲之间的间隔仅为2.73毫秒——天文学家可以通过记录脉冲的变化来精确测量其轨道。如果两次辐射的间隔发生了变化,那就意味着中子星正在与地球发生相对运动。

我们就是据此发现的白矮星。三个星体相互牵引,使脉冲星的轨道倾斜。中子星和其中一颗白矮星相互靠得很近,而另一颗白矮星则相对边缘。

根据强等效原理,在引力场中,哪怕像是中子星或黑洞这样的极大质量物体的“下落”速度,与通常物体应该没有分别。

如果你认为中子星是锤子,而白矮星是斯科特示范时的羽毛,那么对于一个强等效原理测试来说,这是一个体面的模拟。所有的三个天体都在彼此的引力场中“坠落”。

如果脉冲星比内侧的白矮星向外部的白矮星方向移动得更快,那么它的轨道会变得更加椭圆。

事实证明,这并没有发生。

内侧的白矮星和脉冲星具有一致的加速度,误差在0.016%以内——在史诗般宏大的尺度上向我们宣示,爱因斯坦是靠得住的。

本月初在美国天文学会第231次会议上,该团队向同行们介绍了他们的成果。

本文译自 sciencealert,由译者 majer 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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