通過(guò)帕克斯射電望遠(yuǎn)鏡，天文學(xué)家首次觀測(cè)到坐標(biāo)系拖曳現(xiàn)象。（圖片來(lái)源：Mark Myers ARC Centre of Excellence for Gravitational Wave Discovery ）

撰文 | 吳非

1916年，愛(ài)因斯坦發(fā)表了對(duì)現(xiàn)代物理學(xué)影響深遠(yuǎn)的廣義相對(duì)論。但在廣義相對(duì)論誕生之初，很多物理學(xué)家對(duì)此持懷疑態(tài)度——畢竟，如此具有顛覆性的理論，只有通過(guò)了觀測(cè)驗(yàn)證，才能真正被廣大學(xué)者接受。

廣為人知的是，100年前，英國(guó)科學(xué)家愛(ài)丁頓用著名的日全食實(shí)驗(yàn)首次驗(yàn)證了廣義相對(duì)論。但除此之外，還有不少物理學(xué)家預(yù)測(cè)了廣義相對(duì)論可以導(dǎo)致的其他效應(yīng)。坐標(biāo)系拖曳，就是其中之一。

1918年，兩位奧地利物理學(xué)家Josef Lense和Hans Thirring意識(shí)到，如果廣義相對(duì)論成立，那么任何天體在自轉(zhuǎn)時(shí)，都會(huì)對(duì)周圍的時(shí)空產(chǎn)生拖曳效應(yīng)，這種現(xiàn)象被稱作坐標(biāo)系拖曳（Frame-dragging）或慣性系拖曳。

下面這個(gè)例子，可以幫助我們理解上述現(xiàn)象。我們向一只碗里倒入粘稠的糖漿，然后把一根球形的棒棒糖按進(jìn)去。這時(shí)我們快速轉(zhuǎn)動(dòng)棒棒糖的棍子，會(huì)看到什么現(xiàn)象？棒棒糖周圍的糖漿開(kāi)始跟著旋轉(zhuǎn)。同樣，任何做著自轉(zhuǎn)的天體，其周圍的時(shí)空也會(huì)跟著偏移。只不過(guò)，糖漿是被摩擦力拖動(dòng)，而拖曳時(shí)空的則是引力場(chǎng)。

雖然理論上說(shuō)得通，但要真正觀測(cè)到這個(gè)現(xiàn)象，卻異常困難。坐標(biāo)系拖曳效應(yīng)太微弱了。幾乎整個(gè)20世紀(jì)，人們從宇宙中尋找該效應(yīng)的努力始終沒(méi)有成果。

20世紀(jì)90年代到本世紀(jì)初，科學(xué)家試圖用足夠靈敏的儀器檢測(cè)地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的時(shí)空拖曳。為此，NASA先后啟動(dòng)了LAGEOS衛(wèi)星實(shí)驗(yàn)和引力探測(cè)B實(shí)驗(yàn)，通過(guò)陀螺儀等靈敏的手段尋找這一效應(yīng)。這兩項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，尤其是引力探測(cè)B實(shí)驗(yàn)有所收獲，檢測(cè)到了與廣義相對(duì)論預(yù)言一致的結(jié)果。但這些實(shí)驗(yàn)的誤差控制，始終沒(méi)有達(dá)到預(yù)期。

由于質(zhì)量小、轉(zhuǎn)速慢的地球的坐標(biāo)系拖曳效應(yīng)太過(guò)微弱，天文學(xué)家將視線投向更遙遠(yuǎn)的宇宙，希望在高速旋轉(zhuǎn)的大質(zhì)量天體中觀測(cè)到該效應(yīng)。

1999年，澳大利亞天文學(xué)家通過(guò)帕克斯射電望遠(yuǎn)鏡，發(fā)現(xiàn)兩千光年外的南十字星座中存在一個(gè)特殊的雙星系統(tǒng)。這個(gè)名為PSR J1141-6545的雙星系統(tǒng)，由一顆白矮星和它的伴星脈沖星組成。其中，中子星直徑只有20千米，質(zhì)量卻超過(guò)了整個(gè)太陽(yáng)系。而白矮星質(zhì)量略小于這顆中子星，體積與地球相當(dāng)。

白矮星與圍繞其運(yùn)轉(zhuǎn)的脈沖星組成的雙星系統(tǒng)。（圖片來(lái)源：Mark Myers ARC Centre of Excellence for Gravitational Wave Discovery）

對(duì)于天文學(xué)家來(lái)說(shuō)，這個(gè)雙星系統(tǒng)為觀測(cè)坐標(biāo)系拖曳效應(yīng)提供了絕佳場(chǎng)所。

一方面，這顆白矮星的自轉(zhuǎn)周期只有幾分鐘，高速旋轉(zhuǎn)的白矮星產(chǎn)生的坐標(biāo)系拖曳效應(yīng)，是地球的1億倍之多。

當(dāng)然，僅僅產(chǎn)生這個(gè)效應(yīng)，并不足以讓地球上的望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到。這時(shí)，繞白矮星運(yùn)行的脈沖星成了關(guān)鍵。脈沖星是快速旋轉(zhuǎn)的中子星，如同海面上的燈塔，其磁極在自轉(zhuǎn)的同時(shí)不斷發(fā)出射電束。對(duì)于地球上的觀測(cè)者而言，這一一束信號(hào)如同精準(zhǔn)的時(shí)鐘，忠實(shí)記錄著脈沖星的運(yùn)動(dòng)軌跡。如果信號(hào)間的時(shí)間間隔出現(xiàn)變化，則意味著脈沖星的運(yùn)行軌道出現(xiàn)了偏移。而這樣的偏移，恰好成為尋找坐標(biāo)系拖曳效應(yīng)的窗口。

另一個(gè)不容或缺的因素，是PSR J1141-6545極為罕見(jiàn)的誕生過(guò)程。白矮星與中子星組成的雙星系統(tǒng)很常見(jiàn)，但這樣的系統(tǒng)中，中子星往往率先形成。而白矮星更“年長(zhǎng)”的雙星系統(tǒng)，算上PSR J1141-6545，目前得以確認(rèn)的一共只有兩個(gè)。

在這樣的系統(tǒng)中，一顆恒星率先死亡，形成白矮星。白矮星獲取伴星的氣態(tài)物質(zhì)，旋轉(zhuǎn)加速；隨后，其伴星通過(guò)超新星爆發(fā)形成脈沖星。

這一點(diǎn)之所以重要，是因?yàn)榕c普通的雙星系統(tǒng)相比，PSR J1141-6545可以保留脈沖星典型的磁場(chǎng)特征，幫助天文學(xué)家分辨出其軌道信息。

這個(gè)匯聚了一切有利條件的系統(tǒng)，自然成為研究團(tuán)隊(duì)關(guān)注的焦點(diǎn)。自2000年起，澳大利亞的帕克斯望遠(yuǎn)鏡和UTMOST射電望遠(yuǎn)鏡開(kāi)始對(duì)其進(jìn)行持續(xù)觀測(cè)，希望找到軌道參數(shù)長(zhǎng)期變化的證據(jù)。

2015年，他們終于觀測(cè)到了軌道微弱的偏移。但這還不夠——除了這個(gè)效應(yīng)，其他因素也可能產(chǎn)生影響，例如自轉(zhuǎn)本身會(huì)將中子星壓縮得更“扁”，從而改變其引力場(chǎng)。因此，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)數(shù)據(jù)處理，從信號(hào)中篩去其他因素的干擾，找到了軌道平面方向長(zhǎng)期、逐步的變化——只有這樣的信號(hào)，才是其他效應(yīng)無(wú)法解釋的。

下一個(gè)問(wèn)題是，這個(gè)罕見(jiàn)的雙星誕生過(guò)程是否成立？計(jì)算機(jī)模擬證實(shí)了這種可能性。這些天文學(xué)家找到了丹麥奧胡斯大學(xué)的Thomas Tauris，通過(guò)模擬驗(yàn)證了這個(gè)過(guò)程。研究發(fā)現(xiàn)，在對(duì)兩顆恒星最初的質(zhì)量及軌道進(jìn)行嚴(yán)格限制后，類似于PSR J1141-6545的系統(tǒng)完全有可能出現(xiàn)。

在近期發(fā)表于《科學(xué)》雜志的論文中，研究團(tuán)隊(duì)報(bào)道了這一發(fā)現(xiàn)。

這項(xiàng)研究終于為延續(xù)一百年的猜想，提供了精確的天文學(xué)觀測(cè)驗(yàn)證，也再一次證實(shí)了廣義相對(duì)論。除此之外，坐標(biāo)系拖曳效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，對(duì)于現(xiàn)代天文學(xué)還有著其他意義。

作為宇宙中最致密的物質(zhì)，中子星內(nèi)的成分始終沒(méi)有確切的答案。這項(xiàng)研究的第一作者Venkatraman Krishnan表示，在兩顆脈沖星構(gòu)成的雙星系統(tǒng)中，應(yīng)該也能觀測(cè)到該效應(yīng)。這樣的觀測(cè)，可以幫助科學(xué)家確認(rèn)這些脈沖星的準(zhǔn)確體積，從而揭示其神秘的內(nèi)部組成。

原始論文：

https://science./cgi/doi/10.1126/science.aax7007

參考鏈接：

https://www./pub_releases/2020-01/tarc-awt012820.php

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