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广义相对论在更高的精度上被再次验证

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Linvo说宇宙

2022-01-18 11:27

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原文 | Emily Conover
翻译 | Linvo

已知的唯一一对脉冲星,刚刚揭示了大量独特的宇宙见解。

16年来,科学家们一直在观测这对脉冲星,也就是呈现出脉动的中子星。物理学家在12月13日发表在《物理评论X》上的一篇论文中称,测量结果证实了爱因斯坦的引力理论,即广义相对论,精确度达到了新的水平,并暗示了该理论的微妙效应。

脉冲星是由密集的中子组成的旋转的死亡恒星,由于它们那灯塔一样的辐射光束定期扫过地球,所以看起来忽明忽暗。这些脉冲时间的变化可以揭示脉冲星的运动和广义相对论的影响。虽然物理学家已经发现了很多单独的脉冲星,但已知的相互环绕的脉冲星只有这一对。2003年,双脉冲星系统J0737-3039的发现,为检验广义相对论开辟了可能的新途径。

其中一颗脉冲星大约每秒自转44次,而另一颗脉冲星大约每2.8秒自转一次。这颗速度较慢的脉冲星在2008年变暗,原因是广义相对论的一个奇怪现象,使它的光束旋转到了视野之外。研究人员会继续监测剩余的可见脉冲星,然后将新数据与旧的观测数据相结合,以提高测量的精度。

以下是这项新研究的五个观点:

1. 爱因斯坦在很多方面都是正确的。

通过这对脉冲星双星,我们可以对其同时进行广义相对论的五项独立测试,以检验轨道的各种性质是否符合爱因斯坦理论的预测。例如,研究人员测量轨道的椭圆旋转或进动的速率,看看它是否与预期一致。结果所有的参数都符合爱因斯坦的理论。

更重要的是,弗吉尼亚州夏洛茨维尔国家射电天文台的天体物理学家斯科特·兰塞姆说,“广义相对论的每一个单独的测试都变得如此精确,以至于……必须包括广义相对论的高阶效应来匹配数据。”这意味着测量是如此精确,以至于它们暗示了重力的微妙特性。

2. 引力波正在消耗能量。

观测结果显示,脉冲星的轨道正在缩小。通过测量脉冲星每次走完轨道所需的时间,研究人员确定,这对脉冲星每天缩短的距离约为7毫米。

这是因为脉冲星在运行时会激发引力波,这是向外振动的时空涟漪,会带走能量。这种明显的收缩现象在20世纪70年代首次在一个拥有一颗脉冲星和一颗中子星的星系中被发现,为引力波的存在提供了早期证据。但新结果的精确度是之前测量的25倍。

3.脉冲星正在失去质量。

还有一个微妙的影响会改变这个轨道。脉冲星随着时间的推移逐渐减速,失去转动能量。因为能量和质量是同一枚硬币的两面,这意味着速度更快的脉冲星每秒损失质量约800万吨。

克雷默说:“当我第一次意识到这一点时,我真的惊呆了。虽然这听起来很多,但质量损失只会影响到轨道的微小调整。以前,科学家们在计算中可以忽略这种影响,因为这种变化非常小。但现在对轨道的测量已经足够精确,所以把它考虑进来是有意义的。

4. 我们可以知道脉冲星的旋转方向,这就暗示了它的起源。

当一个脉冲星的光经过它的伴星时,通过研究脉冲的时间,科学家可以知道速度更快的脉冲星在朝哪个方向旋转。结果表明,这颗脉冲星旋转的方向与它的轨道相同,这为这对脉冲星双星的形成提供了线索。

这两颗脉冲星开始时是相邻的恒星相继爆炸。通常情况下,当恒星爆炸时,它所留下的残留物会被冲开,从而使它们分裂开来。速度更快的脉冲星的自转方向与轨道相同,这意味着形成脉冲星的爆炸并没有给它带来太大的震动,这有助于解释这个双星系统是如何保持完整的。

5. 我们对脉冲星的半径有了线索。

众所周知,引力效应会导致轨道的椭圆每年进动或旋转约17度。但在这项新研究中,牵扯到一个微妙的调整。当脉冲星旋转时,它就像一个旋转舞者的扭曲的裙子,将时空的结构拖到它的后面,从而改变了旋进。

这种拖曳效应意味着,这颗速度更快的脉冲星的半径必须小于22公里,如果在未来的工作中更加精确,这一估计将有助于揭示构成脉冲星的密度极高的中子星物质的物理特性。

原文:
https://www.sciencenews.org/article/pulsar-dead-stars-general-relativity-einstein

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