天文學(xué)家利用帕克斯射電望遠(yuǎn)鏡觀測到參考系拖曳。圖源：美國科學(xué)促進(jìn)會網(wǎng)站

一個多世紀(jì)以前，愛因斯坦提出廣義相對論，其后許多物理學(xué)家預(yù)測了廣義相對論可以導(dǎo)致的其他效應(yīng)——參考系拖曳(FD)就是其中之一。這也是廣義相對論的一種“較強的”實驗驗證方法。

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

相對論與參考系拖曳

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

現(xiàn)在，理論和科學(xué)儀器的進(jìn)步，導(dǎo)致與廣義相對論有關(guān)的更深遠(yuǎn)研究都可以被證實。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，參考系拖曳并沒得到驗證。

在廣義相對論理論發(fā)表3年后，兩位奧地利物理學(xué)家約瑟夫·倫斯和漢斯·特林意識到：按照愛因斯坦的推理，一個大質(zhì)量天體，如地球，會讓周圍的時空扭曲，同時天體的重力會拖著時空一起旋轉(zhuǎn)。這種現(xiàn)象就是參考系拖曳，或稱為慣性系拖曳。

在日常生活中，這種影響微乎其微，幾乎無法察覺。但對于自轉(zhuǎn)的大質(zhì)量天體來說，應(yīng)該都會對周圍的時空產(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并快速轉(zhuǎn)動棍子(自轉(zhuǎn))，周圍的糖漿都會跟著攪動，這是因為被摩擦力帶動，而天體周圍，拖曳時空的是引力場。

太難觀測了

盡管目標(biāo)是大質(zhì)量天體，但參考系拖曳依然非常微弱。一個世紀(jì)過去，科學(xué)家仍然無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，美國國家航空航天局(NASA)的科學(xué)家曾嘗試用極其靈敏的儀器，去檢測地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的時空拖曳。為此，NASA先后啟動了激光地球動力學(xué)衛(wèi)星(LAGEOS)實驗以及耗資7.5億美元的引力探測B實驗，通過陀螺儀手段尋找該效應(yīng)。最后，引力探測B實驗成功地再次驗證了廣義相對論的預(yù)言，而眾所期待的參考系拖曳效應(yīng)的信號強度，則和當(dāng)前的噪聲強度處于同一量級(這些噪聲主要來自一些尚未建立研究模型的物理效應(yīng))，并沒有符合預(yù)測的量級。

其實在浩瀚星空中，我們的家園地球只是一個質(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30萬倍，脈沖星的質(zhì)量則約為40萬倍，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驗室

宇宙中真的是有太多的天然引力實驗室了。一旦鎖定了目標(biāo)，天文學(xué)家就展開長期耐心地觀測。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。

但這個效應(yīng)還是不足以讓地球上的望遠(yuǎn)鏡觀測到。幸好，這里還有一顆繞白矮星運行的脈沖星。

脈沖星其實就是快速旋轉(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。

對于地球上的我們而言，它就像一個精準(zhǔn)的時鐘、一個會發(fā)射信號的燈塔，通過記錄脈沖何時抵達(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行的路徑，一旦信號間隔出現(xiàn)變化，就意味著脈沖星的運行軌道有所偏移。而這樣的偏移，恰好就是尋找參考系拖曳的最佳切入點。

終于，通過一遍遍測繪脈沖星軌道，團隊發(fā)現(xiàn)了微弱的偏移。但考慮到還可能有別的因素產(chǎn)生了類似影響，團隊又加入了數(shù)據(jù)處理，從信號中篩去其他因素的干擾，辨別出了軌道平面方向長期性、逐漸性的變化，這已經(jīng)是其他效應(yīng)無法解釋的了。

計算機模擬隨后證實，這對雙星的誕生過程符合推測。這項耗時20年的研究，終于為一個困擾了物理學(xué)一百年的猜想，提供了最精準(zhǔn)的天文學(xué)驗證。

團隊成員表示，這一發(fā)現(xiàn)，讓他們所有深夜和清晨的付出，都變成“值得”。張夢然