16年双脉冲星系统观测再度挑战广义相对论,结果:爱因斯坦还是对的

过去105年来,科学家们努力反复测试爱因斯坦的广义相对论,试图找出不足之处,然而至今一个都没找到。现在,一项观察特殊双脉冲星系统PSR J0737-3039长达16年的研究,再度证实了广义相对论多项预测完全正确,简直就是越检验越屹立不倒。

脉冲星、磁星都属于中子星,它们具有超高密度物质、超导/超流体内部、超高速自转、超强引力与磁力等特性,是继黑洞后宇宙密度最大的天体,但在至今已知的数千颗中子星中,磁星与脉冲星仅发现数十至数百颗,相对罕见。

其中,PSR J0737-3039又是目前唯一已知由双脉冲星互相绕旋组成的系统,其中一颗每秒自转45次,另一颗每秒自转2.8次,两者每2.5小时相互绕旋一圈,它们就像宇宙中的灯塔,从极点规律发射无线电波束并产生极强大引力场。由于角动量守恒,中子星自转非常稳定,但它们又几乎和黑洞一样紧凑,也就是说,脉冲星像时钟规律的脉冲辐射存于被强力弯曲的时空中,是我们测试引力理论最好的对象之一。

近16年来,由德国马克斯·普朗克电波天文研究所天文学家Michael Kramer领导的团队,通过世界各地7台望远镜一直在监测PSR J0737-3039,若根据广义相对论,双脉冲星系统的极端加速度会拉紧时空结构并发出涟漪,进而减慢系统速度,预计2颗脉冲星将在8,500万年后碰撞。

而来自脉冲星类似时钟的规律滴答声是关注微小扰动的完美工具:电波望远镜侦测到的脉冲信号抵达时间,会被双星轨道运动以一种特有方式改变,只要长期监测这种时间差,就可以测量轨道运动微小变化,比如过去对Hulse-Taylor脉冲星(第一个已知包含脉冲星的双星系统)的观测结果,表明系统公转轨道半径缩小且公转速度加速,说明轨道能因重力波辐射而损失。

世界各地7台电波望远镜长达16年的数据,证明广义相对论是对的。

比起Hulse-Taylor脉冲星,PSR J0737-3039在研究引力方面优于前者,研究团队总共测试了广义相对论中7项预测,包括双星椭圆轨道方向的变化(拱点进动,Apsidal precession)、脉冲星在旋转时拖动时空的方式(冷泽-提尔苓进动,Lense-Thirring Precession)等,结果显示所有参数都与广义相对论预期的一致。

此外,通过测量脉冲星走完一圈公转轨道所需的时间,研究人员确定这对脉冲星每天彼此更靠近7毫米,表明脉冲星的轨道正在缩小,原因就是重力波向外振动带走能量,显然就算新的数据让观测精度提高25倍,广义相对论仍通过了更严苛的考验。

第三,研究还发现脉冲星正在失去质量,自转速度更快的那颗脉冲星每秒损失约800万吨物质,以前这种现象因太过渺小而被忽略,但高精度新数据证明了脉冲星随时间推移微微减速并失去质量,同时微妙地让轨道产生变化。

最后,研究人员还有了脉冲星半径的头绪,借由拖拽效应得知自转速度更快的脉冲星半径必须小于22公里。

而一些意欲取代广义相对论的理论认为,脉冲信号抵达时间可能与广义相对论预测存在较大偏差,但这篇研究证明了各种参数都与广义相对论达到惊人一致,准确率99.99%以内。

要到哪一天,科学家才可能发现广义相对论的盲点呢?新论文发布在《Physical Review X》期刊。

(图片来源:CSIRO)