Radio Pulsar 证明二元爱因斯坦至少 99.99% 是正确的

自从爱因斯坦正式提出他的广义相对论 (GR) 以来，已经有一百多年的历史了，这一几何引力理论彻底改变了我们对宇宙的理解。 然而，天文学家们仍在接受严格的测试，希望能找到与这一成熟理论的偏差。 原因很简单：任何超越 GR 的物理指标都将为宇宙打开新的窗口，并帮助解决有关宇宙的一些更深层次的谜团。

由德国波恩马克斯普朗克射电天文研究所 (MPIfR) 的迈克尔克莱默领导的国际天文学家团队最近进行了有史以来最严格的测试之一。 使用来自世界各地的七台射电望远镜，克莱默和他的同事已经观察了一对独特的脉冲星 16 年。 在此过程中，他们首次观察到了 GRs 所预测的效果，并以 健康 至少 99.99%！

除了来自 MPIfR 的研究人员之外，Kramer 和他的同事们还加入了来自十个不同国家机构的研究人员 – 包括 Jodrell Bank 天体物理中心（英国）、ARC 引力波探测卓越中心（澳大利亚）和海洋研究所。 用于理论物理学（加拿大）、巴黎天文台（法国）、卡利亚里天文台（意大利）、南非射电天文台（SARAO）、荷兰射电天文研究所（ASTRON）和阿雷西博天文台。

脉冲星是快速旋转的中子星，会发出扫过的窄无线电波束。 图片来源：美国宇航局戈达德太空飞行中心

“射电脉冲星”是一类特殊的快速旋转的中子星，具有很强的磁性。 这些超高密度物体从它们的两极发射出强大的无线电波束（当与它们的快速旋转相结合时）会产生强大的类似信标的效果。 天文学家对脉冲星很着迷，因为它们提供了大量关于控制超小物体、磁场、星际介质 (ISM)、行星物理学甚至宇宙学的物理学信息。

此外，强大的引力使天文学家能够检验引力理论（如 GR 和 修正牛顿动力学 (MOND) 在可以想象的一些最恶劣的条件下。 在他们的研究中，克莱默和他的团队检查了 PSR J0737-3039 A/B，这是一个距离地球 2,400 光年的“双星”系统 玩偶星座.

该系统是唯一的收音机 脉冲星 二进制文件，并于 2003 年由研究团队的成员发现。 组成这个系统的两颗脉冲星旋转速度很快——每秒 44 次（A），每 2.8 秒一次（B）——并且相互绕行仅 147 分钟。 虽然它比太阳大 30%，但直径只有 24 公里（15 英里）。 因此，它具有强烈的重力和强烈的磁场。

除了这些特性之外，该系统的快速轨道周期使其成为测试引力理论的近乎完美的实验室。 正如克莱默教授在最近的 MPIfR 新闻稿中所说：

“我们研究了一个压缩恒星系统，并且是在非常强的引力场存在下测试引力理论的无与伦比的实验室。令我们高兴的是，我们已经能够测试爱因斯坦理论的基石，即它所携带的能量 引力波，其精度是诺贝尔奖获得者 Hulse-Taylor 脉冲星的 25 倍，是目前引力波探测器的 1000 倍。”

艺术家对 S2 星在人马座 A* 附近经过的轨迹的印象，这也让天文学家可以在极端条件下检验广义相对论做出的预测。 图片来源：ESO/M. Kornmeiser

为期 16 年的观测活动使用了 7 台射电望远镜，包括帕克斯射电望远镜（澳大利亚）、格林班克望远镜（美国）、南赛射电望远镜（法国）、埃菲尔堡 100m 望远镜（德国）、洛弗尔射电望远镜（联合王国）、 Westerbork 合成射电望远镜（荷兰）和甚长核心阵列（美国）。

这些观测站覆盖了无线电频谱的不同部分，范围从 334 MHz 和 700 MHz 到 1300 – 1700 MHz、1484 MHz 和 2520 MHz。 通过这样做，他们能够看到来自这颗双星脉冲星的光子如何受到其强大引力的影响。 正如该研究的合著者、温哥华不列颠哥伦比亚大学 (UBC) 的 Ingrid Stiers 教授所解释的：

“我们跟踪宇宙信标脉冲星发射的射电光子的传播，并在伴星脉冲星的强引力场中追踪它们的运动。我们第一次看到光是如何被延迟的，不仅是因为空间的强烈曲率—— “

正如澳大利亚联邦科学与工业研究组织 (CSIRO) 的共同作者迪克曼彻斯特教授所补充的那样，像这样的紧凑物体的快速轨道运动使他们能够测试关于 GR 的七种不同预测。 这些包括引力波、光传播（“夏皮罗光的延迟和弯曲）、时间膨胀和质能方程（E = mc）。²)，以及电磁辐射对脉冲星轨道运动的影响。

位于西弗吉尼亚州的罗伯特 C. 伯德绿岸望远镜 (GBT)。 学分：GBO/AUI/NSF

“这种辐射相当于每秒集体损失800万吨！” 他说。 “虽然这听起来很多，但它只是脉冲星每秒质量的一小部分——千亿分之三（！）。” 研究人员还对脉冲星轨道方向的变化进行了非常精确的测量，这是首次在水星轨道上观察到的相对论效应，也是爱因斯坦的 GR 理论帮助解决的谜团之一。

仅在这里，效果就强了 140,000 倍，这让团队意识到他们还需要考虑脉冲星自转对周围时空的影响——也就是。 Lense-Thirring 效果，或“拖帧”。 该研究的另一位主要作者 MPIfR 的 Norbert Weeks 博士也取得了另一项突破：

“这意味着根据我们的经验，我们需要将脉冲星的内部结构视为 中子星. 因此，我们的测量首次使我们能够使用精确跟踪中子星周期的技术，我们称之为脉冲星计时技术，以限制中子星的扩展。”

该实验的另一个有价值的结果是该团队如何结合互补的监测技术来获得高精度的距离测量。 过去，类似的研究经常因距离估计不佳而受到阻碍。 通过将脉冲星计时技术与精确的干涉测量（和 ISM 效应）相结合，该团队获得了 2,400 光年的高分辨率结果，误差为 8%。

两颗合并中子星的艺术家插图。 窄光束代表伽马射线爆发，而起伏的时空晶格则代表了合并的特征相反的引力波。 图片来源：NSF/LIGO/索诺玛州立大学/A。 西蒙内

最终，不仅团队的结果与 GR 一致，而且他们还能够看到以前无法研究的效果。 正如另一位研究合著者（同样来自 MPIfR）的 Paulo Freire 表示：

“我们的结果很好地补充了在其他条件下测试重力或看到不同效果的其他实验研究，例如引力波探测器或事件视界望远镜。它们还补充了其他脉冲星实验，例如我们在三合星系统中对脉冲星的计时实验，它为自由落体的普遍性提供了一个独立的（和迷人的）测试。”

“我们已经达到了前所未有的准确度，”克莱默教授总结道。 未来用更大的望远镜进行的实验可以而且将继续走得更远。 我们的工作已经展示了应该进行此类实验的方式以及现在需要考虑哪些确切的影响。 也许有一天我们会发现与广义相对论的偏差。”

描述他们研究的论文最近出现在期刊上 十、体检和

最初发表于 今天的宇宙.

要了解有关这项研究的更多信息：

参考：M. Kramer 等人的“使用双星的强场重力测试”。 2021 年 12 月 13 日， 十、体检.
DOI：10.1103/PhysRevX.11.041050