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科学家证明,即使是现象密集的中子星也像羽毛一样坠落

时间:2021-11-25 17:55:42 来源:

艺术家对三星系统PSR J0337 + 1715的印象,该系统距地球约4,200光年。该系统提供了一个自然实验室来测试重力的基本理论。

天文学家利用国家科学基金会(National Science Foundation)的绿岸望远镜(GBT)的出色灵敏度,将爱因斯坦对引力的一项预测作为其最严格的测试。通过精确跟踪单个系统中三颗恒星的曲折,即两颗白矮星和一颗超高密度中子星,研究人员确定,即使是非常紧凑的中子星也以与低密度中子星相同的方式“下落”,这是一个方面。自然界中的“强等效原理”。

爱因斯坦在广义相对论中概述了对重力的理解,它预测所有物体的下落速度均相同,而不论其质量或成分如何。这个理论已经在地球上经过了一次又一次的考验,但是对于已知宇宙中某些最重和最稠密的物体,对于自然的一个方面,即强等价原理,它仍然适用吗?一个国际天文学家团队对这个挥之不去的问题提出了有史以来最严格的考验。他们的发现发表在《自然》杂志上,表明即使在宇宙可以提供的最极端的情况之一下,爱因斯坦对引力的见解仍然占主导地位。

带走所有空气,锤子和羽毛将以相同的速度掉落-伽利略在1500年代末期发现了这一概念,阿波罗15号宇航员戴维•斯科特(David Scott)在月球上对此进行了著名的说明。

尽管是牛顿物理学的基石,但爱因斯坦的引力理论却说明了这样做的方式和原因。迄今为止,爱因斯坦的方程式已经通过了所有测试,从认真的实验室研究到对太阳系中行星的观察。但是,爱因斯坦的广义相对论的替代方法预测,具有极强引力的紧凑物体(例如中子星)的下落与质量较小的物体的下落有所不同。这些替代理论预测,这种差异是由于紧凑物体的所谓重力结合能(将其结合在一起的重力能)引起的。

2011年,美国国家科学基金会(NSF)的绿岸望远镜(GBT)发现了一个天然实验室,可以在极端条件下测试该理论:一个名为PSR J0337 + 1715的三星系统,距地球约4,200光年。这个系统在一个1.6天的轨道上有一颗中子星,上面有一颗白矮星,而在另一天的327天轨道上有一对中子星,还有另一颗白矮星。

“这是一个独特的恒星系统,”西弗吉尼亚州格林银行天文台的瑞安·林奇(Ryan Lynch)说,也是该论文的合著者。“我们不知道其他人喜欢它。这使它成为检验爱因斯坦理论的同类实验室。”

自发现以来,三重系统已由GBT,荷兰的Westerbork综合射电望远镜和波多黎各的NSF阿雷西博天文台定期观测。GBT花费了超过400个小时来观察该系统,获取数据并计算每个对象相对于另一个对象的移动方式。

这些望远镜如何研究这个系统?这个特殊的中子星实际上是脉冲星。许多脉冲星的旋转一致性可以媲美地球上一些最精确的原子钟。林奇说:“作为世界上最灵敏的射电望远镜之一,GBT可以吸收这些微弱的无线电波脉冲,以研究极端物理学。”该系统中的中子星每秒脉冲(旋转)366次。

阿姆斯特丹大学和荷兰射电天文学研究所的安妮·阿奇博尔德(Anne Archibald)说:“自开始观察以来,我们就可以解释中子星的每个脉冲。”“我们可以说出它的位置在几百米之内。这是对中子星去向和去向的精确跟踪。”

如果爱因斯坦引力图片的替代方案是正确的,那么中子星和内白矮星将分别朝外白矮星坠落。弗吉尼亚夏洛茨维尔国家射电天文台的天文学家斯科特·兰瑟姆(Scott Ransom)说:“内部白矮星不像中子星那么大或紧凑,因此引力束缚能更少。”

通过细致的观察和仔细的计算,该团队能够仅使用中子星的脉冲来测试系统的重力。他们发现中子星和内白矮星之间的任何加速度差都太小而无法检测到。

阿姆斯特丹大学的尼娜·古辛斯卡亚(Nina Gusinskaia)说:“如果存在差异,则差异不超过百万分之三。”这对广义相对论的任何替代理论都施加了严格的限制。

这个结果比以前的最佳引力测试精确十倍,这使得爱因斯坦的“强当量原理”的证据更加强大。Ransom总结说:“我们一直在寻找在新地方进行更好的测量,因此我们将继续探索宇宙中的新领域。”

国家射电天文台是美国国家自然科学基金会的一个机构,该机构是根据美国联合大学的合作协议运营的。

绿岸天文台是美国国家自然科学基金会的一个机构,根据联合大学的合作协议运营。

出版物:A. Archibald等人,“恒星三重系统中脉冲星的轨道运动自由落体的普遍性”,《自然》第559卷,第73–76页(2018年)


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