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愛因斯坦，可謂是歷史上最偉大的物理學(xué)家之一。他在一百多年前提出的廣義相對論，是今天科學(xué)家們研究宇宙天體和宇宙現(xiàn)象的重要理論。直到今天，廣義相對論中的一些“預(yù)言”，仍然需要天文學(xué)家們進行更多的觀測，才能夠證明。 在經(jīng)過了16年的觀測后，天文學(xué)家再一次印證了愛因斯坦的理論。兩顆遙遠的極端天體，完美地按照愛因斯坦的理論運行著。這兩個極端天體，組成了一個特殊的系統(tǒng)——雙脈沖星。 這個雙脈沖星系統(tǒng)，名字叫做PSR J0737-3039A/B，位于2400光年外。2003年，這一組雙脈沖星首次被發(fā)現(xiàn)，并引起了天文學(xué)家的關(guān)注。在這個系統(tǒng)中，天文學(xué)家們找到了印證相對論的證據(jù)。 我們知道，恒星在死亡后，根據(jù)質(zhì)量大小的不同，可能會變成白矮星，中子星或者黑洞。這些都叫致密星，顧名思義，它們的密度非常大，相對應(yīng)的，體積都非常小。以中子星為例，其直徑可能僅有20公里左右，一個北京城的空間就能放下許多顆中子星，然而一顆中子星的質(zhì)量最小也有太陽的1.44倍，最大的可以達到太陽的2.4倍，可見密度確實相當驚人。 中子星里還有一種比較特殊的形式，那就是脈沖星。這種天體在具備中子星的一切特性的同時，還會從兩極向宇宙中發(fā)射強大的脈沖信號。而且，脈沖星的自轉(zhuǎn)速度相當驚人，很大一部分甚至不到1秒就能自轉(zhuǎn)一圈。在這種情況下，其兩極釋放的脈沖信號就在宇宙空間擺動，看起來像海上的燈塔一樣，所以脈沖星也被稱為宇宙燈塔。 很多人都聽說過另一個概念，叫做脈沖雙星，這和雙脈沖星是一個意思嗎？ 答案是否定的。所謂的脈沖雙星，是指在一個雙星系統(tǒng)中，只要有一個是脈沖星即可，另一個是普通的中子星或者白矮星抑或其他天體都可以。雙脈沖星更加特殊，它要求這個雙星系統(tǒng)中的兩個天體都是脈沖星，這樣的要求條件就更多了。 實際上，在茫茫宇宙中，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)的脈沖雙星也不算少了，迄今為止有120多個。而被人類發(fā)現(xiàn)的雙脈沖星，卻只有這一個。 脈沖星是宇宙中最重要的天體之一，因為它們自身的自轉(zhuǎn)速度極為穩(wěn)定，又有脈沖信號作為參考，所以它們就像是宇宙中不同尺度的“秒表”，或者說是“宇宙尺子”的刻度，可以幫助天文學(xué)家衡量其他天體的一些參數(shù)。在今天，脈沖星不僅被用來研究引力、星際介質(zhì)，甚至在未來可能成為星際旅行的參照物。 當一個天體周圍有一顆脈沖星時，我們可以通過它對脈沖星自轉(zhuǎn)速度的影響，探測關(guān)于它的信息。而PSR J0737-3039A/B作為由兩顆脈沖星組成的雙星系統(tǒng)，就更值得關(guān)注了。 德國馬克斯·普朗克射電天文研究所的天文學(xué)家和天體物理學(xué)家Michael Kramer是本次研究的領(lǐng)導(dǎo)者，他說：“這是一個絕妙的實驗室，可以在有極強引力場存在的情況下，測試一些關(guān)于引力的理論。令人興奮的是，我們可以用它來測試愛因斯坦的一個理論，那就是引力波所攜帶的能量。此前的Hulse-Taylor脈沖星曾經(jīng)獲得了諾貝爾獎，而這個系統(tǒng)的精確度是它的25倍，也是其他引力波探測器所能達到程度的1000倍！” 據(jù)觀測，這兩顆脈沖星之間的距離非常近，以至于它們的公轉(zhuǎn)周期僅有147分鐘，也就是不到兩個半小時。其中一顆的自轉(zhuǎn)周期僅有2.8秒，另一顆自轉(zhuǎn)速度更快，每秒鐘能轉(zhuǎn)44圈。由于二者的引力巨大，距離也非常近，足以影響彼此的運行。再通過它們的自轉(zhuǎn)周期，天文學(xué)家就可以研究它們會如何給對方造成影響了。 有了這么完美的觀測對象，天文學(xué)家們還需要足夠強大的觀測設(shè)備。為此，他們一共借用了位于世界各地的7臺強大的望遠鏡，對它進行了跨度達到16年的觀測。加拿大不列顛哥倫比亞大學(xué)的天體物理學(xué)家Ingrid Stairs描述說，他們對脈沖星發(fā)出的無線電光子的傳播進行了觀測，看看它在伴星的強大引力場中有怎樣的運行規(guī)律。 “我們看到了伴星周圍強大的時空曲率對光線產(chǎn)生了延遲作用，并且檢測到了光線出現(xiàn)0.04°的小角度偏轉(zhuǎn)。這在歷史上是首次，此前沒有任何實驗?zāi)軌蛟谶@么高的時空曲率下進行。” 澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織的天體物理學(xué)家Dick Manchester表示：“除了引力波和光的傳播之外，我們這個實驗的精確性還讓我們測量了'時間膨脹’的影響，也就是在強大的引力場中，時間會變慢的效應(yīng)。” 他還說：“在考慮高速自轉(zhuǎn)的脈沖星電磁輻射對軌道模式的影響時，我們甚至還要考慮愛因斯坦的那個著名的公式：E=m*c^2。這種輻射導(dǎo)致了每秒鐘800萬噸質(zhì)量的損失！這個數(shù)看起來很大，實則僅僅占了這個脈沖星質(zhì)量的10萬億億分之3。” 聽聽這個數(shù)字，也是精確到令人震驚的程度了。 除了這些之外，還有所謂的拱線進動、慣性系拖曳效應(yīng)等等由廣義相對論引申出來的“預(yù)言”，都在這個雙脈沖星系統(tǒng)中得到了驗證，這也得益于雙脈沖星這樣的系統(tǒng)過于特殊。 未來幾年，隨著更加強大的望遠鏡一個個問世，天文學(xué)家們也將有機會以更高的精度對這樣的系統(tǒng)進行觀測，驗證愛因斯坦的廣義相對論。研究人員甚至大膽推測，或許未來人類就可以在宇宙的極端引力場中看到相對論崩潰的狀態(tài)，從而找到統(tǒng)一四種基本力的萬有理論，不過這就是后話了。 |
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