100多年前，在愛因斯坦提出廣義相對論后，不少天文學(xué)家提出了通過天文觀測驗證廣義相對論的猜想，坐標(biāo)系拖曳效應(yīng)就是其中之一。如今，廣義相對論早已得到驗證，但微弱的坐標(biāo)系拖曳效應(yīng)始終沒有得到觀測證實。終于，在一項發(fā)表于《科學(xué)》雜志的研究中，澳大利亞斯威本科技大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊從一個罕見的雙星系統(tǒng)中，首次證實了該效應(yīng)。

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

1916年，愛因斯坦發(fā)表了對現(xiàn)代物理學(xué)影響深遠(yuǎn)的廣義相對論。但在廣義相對論誕生之初，很多物理學(xué)家對此持懷疑態(tài)度——畢竟，如此具有顛覆性的理論，只有通過了觀測驗證，才能真正被廣大學(xué)者接受。

廣為人知的是，100年前，英國科學(xué)家愛丁頓用著名的日全食實驗首次驗證了廣義相對論。但除此之外，還有不少物理學(xué)家預(yù)測了廣義相對論可以導(dǎo)致的其他效應(yīng)。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意識到，如果廣義相對論成立，那么任何天體在自轉(zhuǎn)時，都會對周圍的時空產(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。這時我們快速轉(zhuǎn)動棒棒糖的棍子，會看到什么現(xiàn)象?棒棒糖周圍的糖漿開始跟著旋轉(zhuǎn)。同樣，任何做著自轉(zhuǎn)的天體，其周圍的時空也會跟著偏移。只不過，糖漿是被摩擦力拖動，而拖曳時空的則是引力場。

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

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地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的時空拖曳。為此，NASA先后啟動了LAGEOS衛(wèi)星實驗和引力探測B實驗，通過陀螺儀等靈敏的手段尋找這一效應(yīng)。這兩項實驗，尤其是引力探測B實驗有所收獲，檢測到了與廣義相對論預(yù)言一致的結(jié)果。但這些實驗的誤差控制，始終沒有達(dá)到預(yù)期。

罕見的雙星系統(tǒng)

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)量天體中觀測到該效應(yīng)。

1999年，澳大利亞天文學(xué)家通過帕克斯射電望遠(yuǎn)鏡，發(fā)現(xiàn)兩千光年外的南十字星座中存在一個特殊的雙星系統(tǒng)。這個名為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)量卻超過了整個太陽系。而白矮星質(zhì)量略小于這顆中子星，體積與地球相當(dāng)。

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

對于天文學(xué)家來說，這個雙星系統(tǒng)為觀測坐標(biāo)系拖曳效應(yīng)提供了絕佳場所。

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)生這個效應(yīng)，并不足以讓地球上的望遠(yuǎn)鏡觀測到。這時，繞白矮星運行的脈沖星成了關(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)的同時不斷發(fā)出射電束。對于地球上的觀測者而言，這一一束信號如同精準(zhǔn)的時鐘，忠實記錄著脈沖星的運動軌跡。如果信號間的時間間隔出現(xiàn)變化，則意味著脈沖星的運行軌道出現(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。

另一個不容或缺的因素，是PSR J1141-6545極為罕見的誕生過程。白矮星與中子星組成的雙星系統(tǒng)很常見，但這樣的系統(tǒng)中，中子星往往率先形成。而白矮星更“年長”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。

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，其伴星通過超新星爆發(fā)形成脈沖星。

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

發(fā)現(xiàn)信號

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

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

下一個問題是，這個罕見的雙星誕生過程是否成立?計算機模擬證實了這種可能性。這些天文學(xué)家找到了丹麥奧胡斯大學(xué)的Thomas Tauris，通過模擬驗證了這個過程。研究發(fā)現(xiàn)，在對兩顆恒星最初的質(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)隊報道了這一發(fā)現(xiàn)。

這項研究終于為延續(xù)一百年的猜想，提供了精確的天文學(xué)觀測驗證，也再一次證實了廣義相對論。除此之外，坐標(biāo)系拖曳效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，對于現(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)的成分始終沒有確切的答案。這項研究的第一作者Venkatraman Krishnan表示，在兩顆脈沖星構(gòu)成的雙星系統(tǒng)中，應(yīng)該也能觀測到該效應(yīng)。這樣的觀測，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。

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