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「相对论」时空正被拖曳：广义相对论再添新证据( 二 )


「相对论」时空正被拖曳：广义相对论再添新证据
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罕见的双星系统给验证时空拖拽创造了条件
在策划近地实验的同时 ， 科学家们将目光瞄准了遥远的星空 ， 浩瀚的宇宙是天然的引力实验室 ， 那里一定存在着最佳的实验对象 ， 物理学家找到了脉冲星 。
脉冲星是一种快速自转的中子星 ， 在其自转的同时会发射出规律的脉冲信号 ， 信号的周期通常只有几秒甚至更短(地球的自转周期约为24小时) 。
脉冲星的首次发现是在1967年由英国的物理学家完成的 ， 它的发现是20世纪最伟大的天文发现之一 。 而首个双脉冲星系统是在1974年发现的PSR B1913+16 。 双脉冲星系统是由一颗脉冲星和另外一颗伴星相互绕转组成的 ， 其质量大小差不多 ， 伴星也是一种致密的星体 ， 可以是中子星 ， 也可是其他星体如白矮星 。
双脉冲星是检验广义相对论的绝佳的天然引力系统 。
相比引力探针B计划中地球惯性系的拖曳 ， 由于双脉冲星中星体的质量更大、自转更快 ， 惯性系拖曳效应更明显 ， 大约是地球效应的1亿倍 ， 因此LT进动也更明显 ， 也更容易被观测到 。
其中一种思路是通过观测数据得到系统的能量损失 ， 看是否与广义相对论预言的引力波辐射是否一致 。 对多个双脉冲星系统的研究表明 ， 二者符合得非常好 。
另外一种思路是观测Lense-Thirring进动 。 因为脉冲星发出的脉冲信号可以被非常精确地测量 ， 信号也非常稳定 ， 这就使得长期持续观测脉冲星而不丢失其信息成为可能 ， 这种方法叫做脉冲星计时法 。 脉冲星计时法为科学家提供了关于脉冲星自转和其他的天体参数的精确测量 。
「相对论」时空正被拖曳：广义相对论再添新证据
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1999年由澳大利亚斯威本科技大学的研究人员通过帕克斯(Parkes)64米口径射电望远镜发现了位于南十字星系方向距离地球一万光年之遥的双脉冲星系统PSR J1141-6545 。 该系统包含一颗自旋周期为394毫秒、公转周期为4.74小时的脉冲星 ， 直径约为20公里 ， 相当于地球上一个中小城市的大小 ， 伴星为质量略小的白矮星 ， 大小和地球体积差不多 。
这种中子星-白矮星双脉冲星系统并不罕见 ， 一般情况下在恒星对的演化中都是主恒星先演化为脉冲星 ， 次恒星后演化为白矮星 。 但是双脉冲星PSR J1141-6545的形成过程非常特别 ， 极为罕见 ， 白矮星的形成早于中子星 ， 目前已知另外一个类似的系统为双脉冲星PSR B2303+46 。
在恒星对的演化过程中 ， 更大质量的主恒星先退化为白矮星 ， 因此白矮星的星龄更长 ， 另外一颗质量较小的次恒星在围绕大质量主恒星转动的过程中不断吸取它的物质并达到形成中子星的质量条件 ， 最终次恒星经历超新星爆发后形成中子星 ， 因此中子星的质量会高于白矮星 ， 而在次恒星超新星爆发前 ， 率先诞生的白矮星又不断吸取膨胀的次恒星溢出的气态物质 ， 自身的旋转获得加速 。 由于这种特殊的形成过程 ， 年轻的中子星诞生后不会再吸收白矮星的物质而影响自转 ， 因此这类系统中的脉冲星很大程度上保留诞生初期的磁场特征 ， 这有利于根据脉冲计时研究系统的时空几何结构 。
双脉冲星PSR J1141-6545一经被发现 ， 立即引起了研究人员的极大兴趣 。 从2000年开始 ， 他们便利用Parkes和UTMOST射电望远镜对其进行持续不断地脉冲计时追踪和记录 ， 希望获得关于双脉冲星系统的轨道和自转的信息 。 尽管在双脉冲星系统中 ， 惯性系拖曳效应大约为地球惯性系拖曳效应的1亿倍 ， 但仍然很微弱 ， 一开始并未被觉察 。 直到2015年 ， PSR J1141-6545的脉冲计时显示 ， 系统的轨道参数发生了细微的“漂移” 。 研究人员考虑了各种可能的相对论性的影响因素 ， 始终无法解释实验数据 。 他们特别兴奋 ， 如果不是数据或者分析出错了 ， 那一定是发现了超出广义相对论之外的新物理 。 新物理三个字 ， 对于现代物理学家有着非同寻常的吸引力 。 无论是超出标准模型的新物理还是超出广义相对论的新物理 ， 都意味着几十年前甚至上百年前制定的伟大规则将要被改写 。 但是在他们将LT进动即轨道平面的转轴是发生旋转的而不是固定的考虑进来时 ， 数据被很好地解释了 ， 轨道转轴进动的幅度约为1.7弧秒/年 。


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