在比薩斜塔上扔下一顆彈珠和一顆炮彈，會同時擊中地面。這一事實可以用阿爾伯特·愛因斯坦的引力理論來解釋——廣義相對論——它預(yù)測所有的物體都以同樣的方式下落，無論它們的質(zhì)量或成分如何。即使是地球和月球，在它們互相環(huán)繞的過程中，也會以同樣的方式朝著太陽“墜落”。愛因斯坦的理論在實驗室和太陽系的其他地方都通過了所有測試。但是科學(xué)家們知道量子力學(xué)的行為是不同的，所以愛因斯坦的理論必須有所突破，這一原理是否也適用于極重的物體？
脈沖星和內(nèi)部白矮星在外部白矮星的引力作用下下落(紅色)。在大多數(shù)引力理論中，脈沖星的強(qiáng)大引力意味著它會以不同于內(nèi)部白矮星的加速度下落。但是愛因斯坦的理論預(yù)測，它們應(yīng)該完全相同。圖片：Neil Blevins
答案是肯定的，根據(jù)一個國際天文學(xué)家團(tuán)隊，包括來自威斯康辛大學(xué)密爾沃基分校。在距離地球4200光年的一個自然“實驗室”里，他們在三顆恒星的幫助下測試了這個問題。由阿姆斯特丹大學(xué)和荷蘭射電天文學(xué)研究所(ASTRON)研究人員領(lǐng)導(dǎo)的研究小組發(fā)現(xiàn)發(fā)表在《自然》上。
三星系統(tǒng)
實驗對象是一名為PSR J0337+1715的三星系統(tǒng)，由一顆中子星與一顆白矮星在1.6天的軌道上運行。這一對在327天的軌道上與另一顆白矮星一起運行。白矮星大約有一顆行星那么大，它耗盡了核燃料，只剩下熾熱的核心。雖然白矮星很小而且密度很大，但沒中子星的密度大，中子星是一顆被燒毀的恒星爆炸后留下的。引力把巨大的殘骸壓成一個城市的大小核。當(dāng)中子星快速旋轉(zhuǎn)并具有強(qiáng)磁場時，它就變成了脈沖星。
三星系統(tǒng)PSR J0337+1715的概念圖，它位于離地球4200光年的地方。這個系統(tǒng)提供了一個自然實驗室來測試引力的基本理論。圖片：NRAO/AUI/NSF; S. Dagnello
脈沖星每次旋轉(zhuǎn)都會發(fā)射無線電波、x射線甚至光。研究人員僅僅通過追蹤中子星——脈沖星——來進(jìn)行測量。該論文的第一作者安妮·阿奇博爾德(Anne Archibald)說：它以每秒366次的速度旋轉(zhuǎn)，無線電波的波束也隨之旋轉(zhuǎn)。它們以一定的間隔掃過地球，就像宇宙中的燈塔，用這些無線電脈沖來追蹤中子星的位置。
白矮星引力
威斯康星大學(xué)密爾沃基分校的物理學(xué)副教授、論文的合著者大衛(wèi)·卡普蘭(David Kaplan)說：當(dāng)脈沖星運動時，就會有某種東西引起它。如果愛因斯坦是對的，那一定是白矮星的引力使脈沖星運動。這組天文學(xué)家使用荷蘭的韋斯特伯克合成射電望遠(yuǎn)鏡、西弗吉尼亞州的格林班克望遠(yuǎn)鏡和波多黎各的阿雷西博天文臺跟蹤這顆中子星達(dá)六年之久。如果中子星與白矮星的落差不同，那么脈沖到達(dá)的時間就會不同于預(yù)期。但據(jù)研究人員所知，這并沒有發(fā)生。
阿奇博爾德和她的同事們發(fā)現(xiàn)，中子星和白矮星之間的任何加速度差異都太小，無法探測到?？ㄆ仗m說，這個系統(tǒng)為研究人員提供了一個機(jī)會，讓他們能夠更敏感地測試引力的性質(zhì)?？ㄆ仗m是2012年首次發(fā)表這一系統(tǒng)的研究人員之一。我們在這個系統(tǒng)上的表現(xiàn)比之前的測試要好10倍。但這并不是鐵板一塊的答案。將引力與量子力學(xué)結(jié)合起來仍未解決。
不能忽略相對論
卡普蘭說：更精確地描述引力也有其他原因。如果忽視了廣義相對論，但卻試圖在手機(jī)上使用GPS，最終會遠(yuǎn)離目的地，但我們也在試圖理解宇宙在這里是如何運作的，仍然不明白恒星是如何運動的。阿斯特隆和阿姆斯特丹大學(xué)的副教授杰森·赫塞爾斯說：射電望遠(yuǎn)鏡的發(fā)展為找到完美的三星系統(tǒng)提供了更多的機(jī)會。
荷蘭的韋斯特伯克綜合射電望遠(yuǎn)鏡是三架用來研究三星系統(tǒng)的望遠(yuǎn)鏡之一，另外還有西弗吉尼亞州的格林班克望遠(yuǎn)鏡和波多黎各的阿雷西博天文臺。圖片：ASTRON
如果按照計劃在澳大利亞和南非建造平方公里陣列，它將是世界上最大的射電望遠(yuǎn)鏡，能夠發(fā)現(xiàn)更多的毫秒脈沖星，就像現(xiàn)在我們的銀河系所知道的那樣。在這些尚未被發(fā)現(xiàn)的系統(tǒng)中，可能潛藏著更強(qiáng)大的工具來理解宇宙，也許這其中之一能讓我們首次窺見愛因斯坦的理論。
博科園-科學(xué)科普｜參考期刊：Nature｜來自：威斯康星大學(xué)密爾沃基分校
