相对论得到了宇宙观测验证

作者 ｜ 徐锐
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一项历时16年的关于双脉冲星系统的研究，完成了迄今为止对爱因斯坦广义相对论最广泛的测试。在该研究中，一个国际团队利用这个不同寻常的天文系统对广义相对论进行了7次测试，其中包括迄今最精确的对引力波携带能量的测量，以及关于这些引力波如何导致恒星质量减少并使其轨道坍缩的研究。
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这7项测试中，有几个效应以前从未被测量过，比如，一颗恒星的光子在经过另一颗恒星的强引力场时是如何减速、弯曲的。自2003年被发现以来，PSR J0737-3039A/B——唯一已知的双脉冲星系统（两颗脉冲星相互环绕运行）已成为天文学家测试广义相对论的最佳实验室。
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这两颗天体是坍缩恒星的残骸，由紧密堆积的中子构成。它们旋转时发出的射电束像灯塔的光一样掠过地球，因此这类中子星又被称为脉冲星。它们是一颗质量大于太阳的恒星被挤压到一个城市大小后形成的，因此具有强烈的引力场。PSR J0737-3039A/B中，规律性脉冲的两颗脉冲星，就像两个在轨道上相互环绕的原子钟，通过观测脉冲时间的微小变化，研究人员可以对引力进行极限测试。为了测量这些脉冲，该研究领导者、德国马克斯·普朗克射电天文学研究所的Michael Kramer和同事使用了全球6台大型射电望远镜，以及美国超长基线阵列（由10个碟形天线构成的射电望远镜阵列）。
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由于研究小组只是月复一月地观察脉冲星，多年来一直没有发布任何结果，因此在同行眼中成了一个笑话。“这是一个很漫长的过程，合并多个望远镜的数据并非易事。”加拿大多伦多大学邓拉普天文学和天体物理学研究所的Cherry Ng对研究团队做出的巨大努力十分认可。
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当近日《物理评论X》发表了这篇56页的论文后，研究人员认为漫长的等待是值得的。由于得到的测量结果非常精确，因此研究小组不得不更深入地研究这一理论。
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研究小组表示，总的来说，广义相对论与观察结果的一致性至少达到99.99%。在过去的研究测试中，研究人员通过使用传统的牛顿轨道，再加上最简单的相对论修正解释这些观测结果。但是双脉冲星系统观测似乎偏离了基本模型。因此，理论家们不得不考虑爱因斯坦理论中其他更为深奥的预测，比如稠密的旋转的大质量物体扭曲其周围时空的方式，以及引力扭曲轨道形状的方式。“后者是一种以前从未测量过的十分微妙的效应。”
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未参与该研究的美国国家射电天文台（NRAO）的Scott Ransom指出，研究小组不得不调用了许多“高阶”效应。尽管广义相对论通过了如此具有挑战性的测试，但研究人员希望有朝一日能在它的“盔甲”上找到缺口。因为，广义相对论不能完全描述宇宙的运行方式，比如，它不能与现代物理学的另一个支柱——量子力学“兼容”。
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除了进行广义相对论测试，双脉冲星系统还可以提供一个观察脉冲星内部的窗口。为了理解密集中子的行为，研究人员需要知道脉冲星的密度。从轨道上可以轻松确定天体质量，但体积测量要难得多。如果观测者能够发现脉冲星的自旋与其绕行轨道之间的一个微妙耦合，则将找到一种计算其半径的方法。Ransom曾希望双脉冲星研究人员能够确定这一数字，但这困难重重，他们只能给出一个范围。Ransom指出，这种研究需要耐心。在脉冲星研究中，观测时间越长，获得的精确度就越高。在10年或20年后，该团队获得的结果可能会更加精确。