爱因斯坦广义相对论再次得到证实
对一颗距离我们25000光年的脉冲星长达14年的持续观察后,科学家终于发现脉冲星存在岁差现象,从而再一次证实了爱因斯坦的广义相对论。
恒星在演化的末期,由于缺乏继续燃烧所需要的核反应原料,其内部辐射压降低,导致其自身的引力作用逐渐坍缩。质量不够大的恒星坍缩后成为白矮星,而在质量比这还大的恒星里面,电子被压入原子核,形成中子,这时候恒星依靠中子的简并压与引力保持平衡,形成所谓中子星。
脉冲星是一种会周期性发射脉冲讯号的中子星,其信号的周期十分稳定。而岁差是指一个天体的自转轴指向因为重力作用导致在空间中缓慢且连续的变化。这是广义相对论所预测的现象,此前很少在脉冲星中被观察到。
脉冲星可能是天空中最有用的恒星。明亮的无线电波从它们的磁极发射出来。当它们旋转时,这些光束可以扫过地球,类似与太空中的“灯塔”。它们也非常精确,旋转可以精确到毫秒级。这些所谓的毫秒脉冲星可以保持如此精确的时间,以便它们可以指导未来的太空导航。
这一新发现可以帮助我们找出二元中子星碰撞的预期速率。当两颗中子星得到子星相互靠得很近时,极强的引力辐射会导致它们的距离愈加靠近,轨道周期会逐渐变短。通过精确地测量射电脉冲双星轨道周期的变化可以检测引力波的存在,从而验证广义相对论。根据广义相对论,二元系统中的脉冲星应该有轻微的轴向摆动(想想一个减速的旋转陀螺),所谓的轴向进动。
由于中子星是如此密集(太阳质量的1.4倍,被压缩成直径仅20公里的恒星核心),它们的引力强度预计会扭曲时空。
脉冲星的旋转会被拉入轴向旋进
当旋转方向未与二元轨道的方向正确对齐时,脉冲星的旋转会被拉入轴向旋进。这种“岁差”被认为是由于不对称的超新星爆炸引起的。因此,当脉冲星在其轴上摆动时,我们应该能够检测其脉冲轮廓的变化。
编号为PSR J1906 + 0746的脉冲星于2004年发现,它显示出每次旋转两个不同的扭曲或极化发射光束。然而,当由美国马克斯普朗克射电天文学研究所的格雷戈里·德维尼领导的天文学家团队查看帕克斯天文台射电望远镜收集的档案数据时,他们发现只有一个光束。
为了弄清楚原因,科学家们2005年到2009以及2012年到2018使用三种不同的天文望远镜监测PSR J1906 + 0746。
在2005年开始观测它时,科学家看到了2004年检测到的每次旋转的两个光束。渐渐地,来自PSR J1906 + 0746脉冲星的光束变弱了,到2016年,它已完全消失。
该团队预测极化数据包含有关脉冲星进动的信息。他们对这些数据建模,将其延长50年,然后将其与脉冲星的观测数据进行比较。
结果匹配百分之五的不确定性水平,完全符合广义相对论的预测。该团队还意识到地球的视线已经从南北方向穿过脉冲星的磁极。
该研究发表在《科学》杂志上。