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          時空正被拖曳:廣義相對論再添新證據
          發布時間:2020-03-06
          出品:科普中國
          制作:崔二亮(西北農林科技大學)
          監制:中國科學院計算機網絡信息中心
               最近,一篇關于在特殊的脈沖雙星系統中觀測到時空拖曳現象的文章發表在著名的《科學》(Science)雜志上,廣義相對論的成立再添新證據。

           

          證明時空拖曳存在,對驗證廣義相對論非常重要

          1915年,愛因斯坦提出了廣義相對論的引力方程,次年總結完成了《廣義相對論基礎》,描述了引力和時空的關系。

          在牛頓經典力學理論體系中,時間和空間都是獨立于物質的,與物質的質量和運動無關,因此被稱為是絕對時空觀。絕對時空中,兩個擁有質量的物體通過引力發生作用,這就是著名的萬有引力。

          而在愛因斯坦相對論體系中,時間和空間是統一的,且與物質的質量和運動有關。相對論時空中,帶有質量的物體通過引力場影響其周圍時空的幾何結構,進而影響到其他帶有質量的物體,而引力場與質量物體的能量和動量密切相關。

          相對論性的時空觀徹底顛覆了絕對時空,與人的直觀感受相去甚遠,因此很難被人們理解和接受。在愛因斯坦提出廣義相對論后,不少天文學家通過天文觀測來驗證廣義相對論的猜想。

          根據廣義相對論,一個大質量天體的自轉,會對其周圍的慣性參考系或者說時空造成拖曳,時空拖曳的強度與天體的內稟角動量(即自轉角動量)成正比例關系。

          早在愛因斯坦發表廣義相對論兩年后的1918年,奧地利數學家Joseph LenseHans Thirring即根據理論做出預言,在引力束縛作用下的兩體系統中,由于周圍慣性參考系的拖曳會導致軌道運動平面的進動,因此這種進動也叫做Lense-Thirring進動(LT進動)。簡單點說,進動就是轉動運動中轉軸圍繞某一中心軸轉動的現象,在這里轉動運動既可以是公轉也可以是自轉(值得注意的是,英文中的Spin在物理學中一般翻譯為自旋,但是量子物理中的自旋和宏觀物體的自轉有本質的區別,因此在這里我們稱宏觀物體的Spin叫做自轉而非自旋,自轉的英文也可以是rotation)

          生活中常見的進動現象之一是陀螺在轉動時自轉軸在重力矩作用下發生旋轉(如下圖所示)

          陀螺的進動 (圖片來源:參考文獻1)

           

          陀螺的進動 (圖片來源:參考文獻1)

           

          時空拖拽為什么難觀測到?

          作為廣義相對論理論預言的LT進動現象,是慣性系拖曳的自然結果。因此,這一現象的觀測對于驗證廣義相對論,有著重要的意義。

          同時,慣性參考系拖曳也可以很好地解釋吸積的黑洞發出的X射線譜。因為時空的拖曳會影響光子的傳輸和吸積盤的性質,進而決定黑洞的自轉,因此,LT進動現象的觀測對于研究黑洞也有重要的意義。

          但是,LT進動的觀測卻不是那么容易。首先,在強力、電磁力、弱力和引力四種基本相互作用中,最弱的是引力,大概比電磁力弱40個數量級,因此,被觀測系統的質量越大越好。其次,由于時空拖曳的強度正比于質量物體的自轉角動量,因此,質量物體的自轉越快越好。

          事實上,早在2004420日,美國宇航局(NASA)就執行了名為引力探針B(Gravity-Probe B)的計劃,向距離地球表面約642公里的極地軌道發射了一顆耗資7.6億美元的空間實驗衛星,上面攜帶四個極高穩定性和極低溫工作的陀螺儀,其穩定性比當時最好的導航陀螺儀還高6個數量級,任務是要以最高的精度驗證廣義相對論理論預言的兩個效應:測地線效應和坐標系拖曳效應。

          測地線效應即地球的引力場對它周圍時空的彎曲程度,而坐標系拖曳效應就是Lense-Thirring 慣性拖拽效應。

          20048月份實驗開始取數,并持續取數一年,最終實驗結果發表在201163號的《物理快報評論》(Physical Review Letters)上。經過聯合擬合之后,坐標系拖曳的結果是37.2+-7.2milliarcseconds/yearmilliarcsecond是毫弧秒,即1/3600000度,這意味著陀螺儀繞地公轉軌道平面的改變約為每年十萬分之一度。但是由于該結果精度控制得不是很好,對于坐標系拖曳結果的精度只達到了19%,遠低于預期的1%

           

          引力探針B檢驗測地線效應和坐標系拖曳效應(圖片來源:PRL文章)

           

          罕見的雙星系統給驗證時空拖拽創造了條件

          在策劃近地實驗的同時,科學家們將目光瞄準了遙遠的星空,浩瀚的宇宙是天然的引力實驗室,那里一定存在著最佳的實驗對象,物理學家找到了脈沖星。

          脈沖星是一種快速自轉的中子星,在其自轉的同時會發射出規律的脈沖信號,信號的周期通常只有幾秒甚至更短(地球的自轉周期約為24小時)

          脈沖星的首次發現是在1967年由英國的物理學家完成的,它的發現是20世紀最偉大的天文發現之一。而首個脈沖雙星系統是在1974年發現的PSR B1913+16脈沖雙星系統是由一顆脈沖星和另外一顆伴星相互繞轉組成的,其質量大小差不多,伴星也是一種致密的星體,可以是中子星,也可是其他星體如白矮星。

          脈沖雙星是檢驗廣義相對論的絕佳的天然引力系統。

          相比引力探針B計劃中地球慣性系的拖曳,由于脈沖雙星中星體的質量更大、自轉更快,慣性系拖曳效應更明顯,大約是地球效應的1億倍,因此LT進動也更明顯,也更容易被觀測到。

          其中一種思路是通過觀測數據得到系統的能量損失,看是否與廣義相對論預言的引力波輻射是否一致。對多個脈沖雙星系統的研究表明,二者符合得非常好。

          另外一種思路是觀測Lense-Thirring進動。因為脈沖星發出的脈沖信號可以被非常精確地測量,信號也非常穩定,這就使得長期持續觀測脈沖星而不丟失其信息成為可能,這種方法叫做脈沖星計時法。脈沖星計時法為科學家提供了關于脈沖星自轉和其他的天體參數的精確測量。


          脈沖雙星系統PSR J1141-6545藝術構想圖

          (圖片來源:scientific American)

          1999年由澳大利亞斯威本科技大學的研究人員通過帕克斯(Parkes)64米口徑射電望遠鏡發現了位于南十字星系方向距離地球一萬光年之遙的脈沖雙星系統PSR J1141-6545。該系統包含一顆自旋周期為394毫秒、公轉周期為4.74小時的脈沖星,直徑約為20公里,相當于地球上一個中小城市的大小,伴星為質量略小的白矮星,大小和地球體積差不多。

          這種中子星-白矮星脈沖雙星系統并不罕見,一般情況下在恒星對的演化中都是主恒星先演化為脈沖星,次恒星后演化為白矮星。但是脈沖雙星PSR J1141-6545的形成過程非常特別,極為罕見,白矮星的形成早于中子星,目前已知另外一個類似的系統為脈沖雙星PSR B2303+46

          在恒星對的演化過程中,更大質量的主恒星先退化為白矮星,因此白矮星的星齡更長,另外一顆質量較小的次恒星在圍繞大質量主恒星轉動的過程中不斷吸取它的物質并達到形成中子星的質量條件,最終次恒星經歷超新星爆發后形成中子星,因此中子星的質量會高于白矮星,而在次恒星超新星爆發前,率先誕生的白矮星又不斷吸取膨脹的次恒星溢出的氣態物質,自身的旋轉獲得加速。由于這種特殊的形成過程,年輕的中子星誕生后不會再吸收白矮星的物質而影響自轉,因此這類系統中的脈沖星很大程度上保留誕生初期的磁場特征,這有利于根據脈沖計時研究系統的時空幾何結構。

          脈沖雙星PSR J1141-6545一經被發現,立即引起了研究人員的極大興趣。從2000年開始,他們便利用ParkesUTMOST射電望遠鏡對其進行持續不斷地脈沖計時追蹤和記錄,希望獲得關于脈沖雙星系統的軌道和自轉的信息。盡管在脈沖雙星系統中,慣性系拖曳效應大約為地球慣性系拖曳效應的1億倍,但仍然很微弱,一開始并未被覺察。直到2015年,PSR J1141-6545的脈沖計時顯示,系統的軌道參數發生了細微的漂移。研究人員考慮了各種可能的相對論性的影響因素,始終無法解釋實驗數據。他們特別興奮,如果不是數據或者分析出錯了,那一定是發現了超出廣義相對論之外的新物理。新物理三個字,對于現代物理學家有著非同尋常的吸引力。無論是超出標準模型的新物理還是超出廣義相對論的新物理,都意味著幾十年前甚至上百年前制定的偉大規則將要被改寫。但是在他們將LT進動即軌道平面的轉軸是發生旋轉的而不是固定的考慮進來時,數據被很好地解釋了,軌道轉軸進動的幅度約為1.7弧秒/年。

           


          雙中子星軌道幾何示意圖(圖片來源:參考文獻7)

           

          盡管新物理的排除令研究人員們多少有些沮喪,但是,這可能是首次在中強引力場背景下觀測到Lense-Thirring時空拖曳效應。

          為什么說是可能呢?

          因為其他因素也可以引起軌道微弱的偏移,所以下一個問題就需要證明這個罕見的雙星的誕生過程是否成立。丹麥奧胡斯大學的研究人員用計算機對這一脈沖雙星系統進行了7千萬次復雜的數值模擬,結果顯示了這種特殊系統存在的合理性和廣義相對論的正確性。研究成果最終發表在了2020131日的《科學》雜志上。

           

          結語

          一百多年前廣義相對論所做出的時空拖曳效應的預言,終于在一百多年后被地球上的科學家借助一萬光年之遙的雙中子星系統的Lense-Thirring進動所驗證。這不僅是廣義相對論獎牌榜上的又一枚獎牌,同時也為脈沖雙星系統開辟了新的研究領域。

          研究人員表示,類似的脈沖計時法也可以用于研究包含兩顆中子星的脈沖雙星系統,這對于研究廣義相對論效應以及中子星內部結構的精確測量有著很大的意義,進而對研究宇宙起源及演化也有很大的意義。

          當前,廣義相對論的檢驗已經進入高精度時代。精確測量不僅是物理理論或者常數在小數位數上的改變,也意味著或許有新物理的出現,正所謂魔鬼隱藏在細節之中!

          自然與自然的法則在黑暗中隱藏;上帝說,讓牛頓出世!,世界一片光。魔鬼說,“讓愛因斯坦降生!”,一切又重回黑暗之中。一百多年以后,愛因斯坦顯然已經代替牛頓成為上帝之子。那么,魔鬼又會委任誰誕生呢?

           

          考文獻:

          1. 李哲旭等,醫學影像設備概論,http://mooc.chaoxing.com/nodedetailcontroller/visitnodedetail?knowledgeId=2314605

          2. Scientific American

          https://www.scientificamerican.com/article/bizarre-cosmic-dance-offers-fresh-test-for-general-relativity/

          3. Physics Today 2020

          https://physicstoday.scitation.org/do/10.1063/PT.6.1.20200203a/full/

          4. Physics Review Letter原文:

          https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.106.221101

          5. Physics Today 2011

          https://physicstoday.scitation.org/doi/10.1063/PT.3.1150

          6. Springer圖書:

          Herbert -Pfster, Markus -King. Inertia and Gravitation: The fundamental nature and structure of space-time, Springer(2015)

          7. Science原文:https://science.sciencemag.org/content/367/6477/577

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