天文學(xué)家利用帕克斯射電望遠(yuǎn)鏡觀(guān)測(cè)到參考系拖曳。圖源：美國(guó)科學(xué)促進(jìn)會(huì)網(wǎng)站

一個(gè)多世紀(jì)以前，愛(ài)因斯坦提出廣義相對(duì)論，其后許多物理學(xué)家預(yù)測(cè)了廣義相對(duì)論可以導(dǎo)致的其他效應(yīng)——參考系拖曳(FD)就是其中之一。這也是廣義相對(duì)論的一種“較強(qiáng)的”實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方法。

百年過(guò)去，廣義相對(duì)論不斷在宇宙大尺度上得到驗(yàn)證，但參考系拖曳卻一直沒(méi)有被證實(shí)。然而，近日美國(guó)《科學(xué)》雜志發(fā)表了一項(xiàng)由澳大利亞斯威本科技大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)的研究，天文學(xué)家們經(jīng)過(guò)20年的追蹤，從一對(duì)兒罕見(jiàn)的致密恒星中首度證實(shí)了參考系拖曳效應(yīng)。

相對(duì)論與參考系拖曳

對(duì)現(xiàn)代物理學(xué)影響最深遠(yuǎn)的理論之一，廣義相對(duì)論，誕生于1916年。它描述了物質(zhì)間引力相互作用，并首次把引力場(chǎng)解釋成時(shí)空的彎曲。

現(xiàn)在，理論和科學(xué)儀器的進(jìn)步，導(dǎo)致與廣義相對(duì)論有關(guān)的更深遠(yuǎn)研究都可以被證實(shí)。譬如2016年引力波的發(fā)現(xiàn);2019年超大質(zhì)量黑洞的第一張圖像發(fā)布。

但遺憾的是，參考系拖曳并沒(méi)得到驗(yàn)證。

在廣義相對(duì)論理論發(fā)表3年后，兩位奧地利物理學(xué)家約瑟夫·倫斯和漢斯·特林意識(shí)到：按照愛(ài)因斯坦的推理，一個(gè)大質(zhì)量天體，如地球，會(huì)讓周?chē)臅r(shí)空扭曲，同時(shí)天體的重力會(huì)拖著時(shí)空一起旋轉(zhuǎn)。這種現(xiàn)象就是參考系拖曳，或稱(chēng)為慣性系拖曳。

在日常生活中，這種影響微乎其微，幾乎無(wú)法察覺(jué)。但對(duì)于自轉(zhuǎn)的大質(zhì)量天體來(lái)說(shuō)，應(yīng)該都會(huì)對(duì)周?chē)臅r(shí)空產(chǎn)生拖曳效應(yīng)。

這就好比將一根棒棒糖放進(jìn)全是糖漿的碗里，當(dāng)我們保持住棒棒糖位置不動(dòng)并快速轉(zhuǎn)動(dòng)棍子(自轉(zhuǎn))，周?chē)奶菨{都會(huì)跟著攪動(dòng)，這是因?yàn)楸荒Σ亮?dòng)，而天體周?chē)?，拖曳時(shí)空的是引力場(chǎng)。

太難觀(guān)測(cè)了

盡管目標(biāo)是大質(zhì)量天體，但參考系拖曳依然非常微弱。一個(gè)世紀(jì)過(guò)去，科學(xué)家仍然無(wú)法從宇宙中尋找到該效應(yīng)的蛛絲馬跡。

從上世紀(jì)90年代到本世紀(jì)初，美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)的科學(xué)家曾嘗試用極其靈敏的儀器，去檢測(cè)地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的時(shí)空拖曳。為此，NASA先后啟動(dòng)了激光地球動(dòng)力學(xué)衛(wèi)星(LAGEOS)實(shí)驗(yàn)以及耗資7.5億美元的引力探測(cè)B實(shí)驗(yàn)，通過(guò)陀螺儀手段尋找該效應(yīng)。最后，引力探測(cè)B實(shí)驗(yàn)成功地再次驗(yàn)證了廣義相對(duì)論的預(yù)言，而眾所期待的參考系拖曳效應(yīng)的信號(hào)強(qiáng)度，則和當(dāng)前的噪聲強(qiáng)度處于同一量級(jí)(這些噪聲主要來(lái)自一些尚未建立研究模型的物理效應(yīng))，并沒(méi)有符合預(yù)測(cè)的量級(jí)。

其實(shí)在浩瀚星空中，我們的家園地球只是一個(gè)質(zhì)量小、轉(zhuǎn)速慢的行星，它的參考系拖曳效應(yīng)太微弱了些。鑒于此，天文學(xué)家開(kāi)始將目標(biāo)放得更寬——例如一些高速旋轉(zhuǎn)的大質(zhì)量星體。

于是在1999年，澳大利亞天文學(xué)家通過(guò)帕克斯射電望遠(yuǎn)鏡，鎖定了2000光年外的南十字星座的一對(duì)兒演繹“宇宙之舞”的雙星。

該系統(tǒng)名為PSR J1141-6545，由一顆白矮星和它的伴星脈沖星組成。其中，白矮星的質(zhì)量為地球的30萬(wàn)倍，脈沖星的質(zhì)量則約為40萬(wàn)倍，但脈沖星的直徑才20千米，僅僅與一座城市差不多。

百億億千米外的引力實(shí)驗(yàn)室

宇宙中真的是有太多的天然引力實(shí)驗(yàn)室了。一旦鎖定了目標(biāo)，天文學(xué)家就展開(kāi)長(zhǎng)期耐心地觀(guān)測(cè)。他們發(fā)現(xiàn)，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。

但這個(gè)效應(yīng)還是不足以讓地球上的望遠(yuǎn)鏡觀(guān)測(cè)到。幸好，這里還有一顆繞白矮星運(yùn)行的脈沖星。

脈沖星其實(shí)就是快速旋轉(zhuǎn)的中子星。我們看這顆脈沖星的體積和質(zhì)量比有多么不可思議，就知道它的密度有多可怕——約為地球密度的1000億倍。更重要的是，它每分鐘可以旋轉(zhuǎn)150次。

對(duì)于地球上的我們而言，它就像一個(gè)精準(zhǔn)的時(shí)鐘、一個(gè)會(huì)發(fā)射信號(hào)的燈塔，通過(guò)記錄脈沖何時(shí)抵達(dá)望遠(yuǎn)鏡，地球上的科學(xué)家就可以繪制出脈沖星圍繞白矮星運(yùn)行的路徑，一旦信號(hào)間隔出現(xiàn)變化，就意味著脈沖星的運(yùn)行軌道有所偏移。而這樣的偏移，恰好就是尋找參考系拖曳的最佳切入點(diǎn)。

終于，通過(guò)一遍遍測(cè)繪脈沖星軌道，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了微弱的偏移。但考慮到還可能有別的因素產(chǎn)生了類(lèi)似影響，團(tuán)隊(duì)又加入了數(shù)據(jù)處理，從信號(hào)中篩去其他因素的干擾，辨別出了軌道平面方向長(zhǎng)期性、逐漸性的變化，這已經(jīng)是其他效應(yīng)無(wú)法解釋的了。

計(jì)算機(jī)模擬隨后證實(shí)，這對(duì)雙星的誕生過(guò)程符合推測(cè)。這項(xiàng)耗時(shí)20年的研究，終于為一個(gè)困擾了物理學(xué)一百年的猜想，提供了最精準(zhǔn)的天文學(xué)驗(yàn)證。

團(tuán)隊(duì)成員表示，這一發(fā)現(xiàn)，讓他們所有深夜和清晨的付出，都變成“值得”。張夢(mèng)然