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“光線偏折”
“時間膨脹”
“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——廣義相對論，它不僅解釋了恒星、行星和衛(wèi)星的精確運動，還作出了以上這些廣為人知的預言。
1918年，就在愛因斯坦發(fā)表廣義相對論的三年后，奧地利物理學家Josef Lense和Hans Thirring意識到，如果愛因斯坦是對的，那么所有旋轉的物體都會對其周圍的時空結構造成”拖曳“。這個較少為人知的預言被稱為”參考系拖曳“。
理解參考系拖曳的最簡單方法就是想象把一個東西放在水池里然后開始旋轉它。隨著旋轉速度的增加，水會開始在物體周圍旋繞。當一個巨大的天體旋轉時，也會發(fā)生類似的事，除了它所處的旋轉的流體就是時空本身。一個物體的旋轉速度越快，且它的質量越大，那么拖曳效應也就越明顯。
在日常生活中，這種效應微乎其微，幾乎無法察覺，這也是在地球軌道上進行相關實驗是如此困難的原因。若想要探測由整個地球自轉引起的參考系拖曳，就需要用上耗資7.5億美元的引力探測器B（Gravity Probe B）這樣的衛(wèi)星。
幸運的是，宇宙中有許多天然的引力實驗室，為檢驗愛因斯坦的理論創(chuàng)造了絕佳的條件。在一項剛發(fā)表于《科學》上的研究中，科學家通過使用一臺射電望遠鏡和一對致密恒星，在更加顯著的尺度上驗證了參考系拖曳效應。
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大約20年前，澳大利亞的帕克斯射電望遠鏡觀測到了兩顆以驚人速度相互旋轉的恒星，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成了一個理想的天然引力實驗室。| 圖片來源：Mark Myer / Ozgrav
當一顆與太陽質量相似的恒星在耗盡燃料后，核心便會坍縮成白矮星。在銀河系中，大約90%以上的恒星最終都會坍縮成白矮星，包括太陽。白矮星的大小和地球差不多，但質量卻是地球的幾十萬倍。它們的自轉速度也可以非?？欤恳粌煞昼娋妥赞D一次，而不是像地球那樣每24小時才自轉一次。
這樣一顆白矮星所造成的參考系拖曳效應大約會是地球的1億倍。
當然，我們無法飛到一顆白矮星周圍，也不能將衛(wèi)星發(fā)射它的周圍以探測拖曳效應。但幸運的是，圍繞白矮星運行的脈沖星為探索愛因斯坦的理論提供了獨特的機會。
帕克斯射電望遠鏡發(fā)現(xiàn)的這個系統(tǒng)被稱為PSR J1141-6545，其中白矮星的質量為地球的30萬倍，脈沖星的質量則約為40萬倍，其大小與一座城市差不多（直徑約為20千米）。
與白矮星相比，脈沖星完全是另一個級別。構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150次。
這意味著，這顆脈沖星就像會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。通過記錄脈沖何時抵達望遠鏡，科學家就可以繪出制脈沖星圍繞白矮星運行的路徑。這種方法揭示出，這兩顆恒星在不到5小時的時間里就能繞對方運行一周。
○ PSR J1141-6545是由CSIRO的帕克斯射電望遠鏡發(fā)現(xiàn)的白矮星-脈沖星雙星系統(tǒng)。脈沖星每4.8小時繞白矮星運行一周，白矮星的快速旋轉會拖曳著它周圍的時空，導致整個軌道在太空中翻滾。| 圖片來源：Mark Myers/ARC Centre of Excellence for Gravitational Wave Discovery (OzGrav)
PSR J1141-6545是一個理想的引力實驗室。自2001年以來，研究人員每年都會好幾次地長途跋涉到帕克斯來繪制這個系統(tǒng)的軌道圖，它似乎能夠展示愛因斯坦理論預測的許多經(jīng)典效應。
軌道演化圖的繪制不是一項缺乏耐心的人可以完成的工作，研究人員獲得的測量數(shù)據(jù)非常精確。盡管PSR J1141-6545距離我們有百億億千米之遠，但研究人員知道這顆脈沖星每秒旋轉2.5387230404次，它的軌道平面不是固定的，而是緩慢旋轉的。
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那么，PSR J1141-6545是如何形成的呢？
當一對恒星誕生時，其中一顆恒星會先死亡，通常它會形成一顆白矮星。在第二顆恒星死亡之前，它會將物質轉移到它的伴星白矮星上。當這些物質落入白矮星時，就形成了一個圓盤，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一次。
○ 藝術構想圖：膨脹恒星表面的物質會落向白矮星，并在白矮星周圍形成一個快速旋轉的物質盤。| 圖片來源：ARC Centre of Excellence for Gravitational Wave Discovery
在這種罕見的情況下，第二顆恒星會在超新星中爆炸，留下一顆脈沖星。快速旋轉的白矮星會拖曳它周圍的時空，使得脈沖星的運行軌道平面發(fā)生傾斜。這種傾斜正是研究人員通過耐心地測繪脈沖星軌道所發(fā)現(xiàn)的。
愛因斯坦曾認為，他的許多關于空間和時間的預言永遠都無法被觀測到。但在過去幾年里，天體物理學發(fā)生了一場革命，人們發(fā)現(xiàn)了引力波，利用全球范圍內的望遠鏡網(wǎng)絡對黑洞的剪影進行了成像。這些發(fā)現(xiàn)都是由價值數(shù)十億美元的設備完成的。
幸運的是，在探索廣義相對論的過程中，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。
