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爱因斯坦仍然是对的!

宇宙引力实验室:超致密的中子星(向两端发出射电波的那个小亮点)与一颗白矮星构成的密近双星,为物理学家提供了前所未有的宇宙实验室,用以研究引力的本质。背景中的绿色网格描绘了由这两个天体的引力产生的时空扭曲。图片来源:EurekAlert!

距离地球大约7000光年的一对古怪的天体组合,为研究引力的本质提供了独一无二的宇宙实验室。引力超强的一颗大质量中子星,与一颗白矮星伴星相互绕转,将彼此竞争的引力理论摆上了严苛程度远超以往的检验台。

结果,爱因斯坦在1915年发表的广义相对论再次拔得头筹。

然而,这并非那些科学家的本意。他们原本预期,爱因斯坦的理论会在极端条件下失效。比如说,广义相对论与量子理论就水火不容。物理学家希望找到一个替代理论来描述引力,从而消除现在这种互不相容的局面。

新发现的脉冲星是一颗质量相当于太阳2倍的中子星,每秒钟自转25圈,表面的重力是地球表面重力的3000亿倍。这是一颗大质量恒星发生超新星爆炸之后遗留的残骸核,核心处一粒方糖大小的体积内就被塞入了超过10亿吨物质。这颗脉冲星有一颗白矮星伴星与它相互绕转,每2个半小时公转一周。整个系统被称为PSR J0348+0432,为那些引力理论提供了迄今为止最极端的检验环境。

这对紧密绕转的天体是由美国的绿堤射电望远镜(Green Bank Telescope,题外话,还记得《三体》里“红岸”这个名字是怎么来的吗?)发现的,美国新墨西哥州的阿帕奇点望远镜、智利的甚大望远镜和加纳利群岛的威廉·赫歇尔望远镜在可见光波段对它们进行了后续观测。波多黎各的阿雷西博望远镜和德国的埃费尔斯贝格望远镜进行的大量射电观测,取得了这对天体的旋转周期正在发生细微变化的关键数据。

在这样一个系统当中,两个天体的旋转会释放引力波,不断带走能量,导致它们的旋转轨道越靠越近。天文学家在一段较长的时间段内,极其精确地测量了脉冲星的射电脉冲抵达我们的时刻,从而测定了轨道越靠越近的速度,进而推算出引力波辐射的总量。这个系统中脉冲星巨大的质量,它与伴星之间的距离,以及伴星是一颗白矮星而非另一颗中子星这个事实,都让这个系统成为了检验替代引力理论的绝佳良机。

一些科学家曾经认为,在这个系统如此极端的环境下,广义相对论方程或许无法准确预测引力波辐射的总量,因此也就无法准确预言旋转轨道靠近的速度。他们当时认为,与广义相对论相竞争的其他引力理论,或许能够更加精准地预言这个系统中的情况。

“我们曾经认为,这个系统可能已经足够极端,到了能够让广义相对论崩溃的程度,但事实恰恰相反,”德国马普学会射电天文学研究所的保罗·弗莱雷(Paulo Freire)说,“我们的射电观测非常精准,已经能够测出它们的轨道周期每年会变短8毫秒,而这正是爱因斯坦的理论预言的结果。”

这算是一个好消息,至少对于那些希望利用尖端设备直接探测引力波的研究者来说,确实如此。那些科学家希望利用那样的设备,检测到由中子星和黑洞构成的如此密近的双星系统在相互旋转中不断靠近,最终发生剧烈碰撞而释放出来的引力波。

引力波极难检测,即便对于最好的设备,也是如此。物理学家估计,他们需要知道他们寻找的引力波具有什么样的特征。知道了这些特征,他们才有办法从探测器的背景噪声中把他们要寻找的信号提取出来。

加拿大麦吉尔大学的赖安·林奇(Ryan Lynch)说:“我们的结果表明,为那些尖端设备准备的过滤技术仍然是有根有据的。”

弗莱雷和林奇是一个大型国际研究团队的成员,他们的这项研究成果被发表在了4月26日出版的《科学》杂志上。

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  2015-06-05  5080 0
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