廣義相對論預測,大型物體旋轉時會導致周圍時空扭曲,這種現象稱為參考系拖曳,只是非常難測量,因為拖曳偏差僅幾兆分之一。現在,科學家在一個由脈衝星與白矮星組成的遙遠聯星系統測出這種現象,由於該系統周遭時空扭曲,導致脈衝星軌道方向發生變化,再度驗證廣義相對論。

參考系拖曳(frame dragging)是愛因斯坦廣義相對論中,預言處於轉動狀態的質量會對周圍時空產生拖曳之現象,最早是奧地利物理學家約瑟夫‧冷澤(Josef Lense)和漢斯‧提爾苓(Hans Thirring)於 1918 年透過廣義相對論推導出,因此也常稱為冷澤─提爾苓效應(Lense-Thirring effect)。

冷澤與提爾苓指出,物體轉動會導致周圍時空參考系改變,進而使周圍物體的位置和古典牛頓力學下的結果產生偏差,但是理論預言的這種偏差非常非常小,大約只有幾兆分之一,因此很難在實驗觀測時驗證。

科學家想過利用地球來驗證參考系拖曳,由於地球自轉,距離地球較近的空間扭曲速度會略快於距離地球較遠的空間扭曲速度,也就是說靠近地球的球體會受到一些推動,方向將隨時間而變化,於是天文學家耗資 7.5 億美元打造重力探測器 B 衛星,並在 2015 年測量到參考系拖曳效應,只是訊號強度與當時雜訊強度處於同一量級,不夠明顯。

幸好天文學家有其他目標,比如大小與地球差不多、但質量比地球大數十萬倍的白矮星,後者每 1 分鐘或每 2 分鐘就旋轉一次,不像地球每 24 小時才旋轉一次,由白矮星帶來的參考系拖曳效果是地球的 1 億倍。

我們不可能發射衛星到白矮星周圍繞行觀察,幸運的是宇宙有聯星系統,天文學家能透過觀察伴星繞行白矮星的變化來測量參考系拖曳效應。

1999 年,帕克斯天文台(Parkes Observatory)發現了 PSR J1141-6545 聯星系統,由一顆脈衝星和一顆白矮星(約地球大小,但質量比地球重 30 萬倍)組成,兩者相距約 140 萬公里(與太陽直徑差不多),只不過科學家過去始終無法精確白矮星轉速,因為它太微弱,無法透過光譜分析進行研究。

於是一個科學團隊集中精神在觀察脈衝星。過去 20 年來,研究人員一直利用電波望遠鏡追蹤脈衝星的運動,確認脈衝星以每小時 100 萬公里的速度環繞白矮星運行,並且精確測量出脈衝星每秒旋轉 2.5387230404 次。它在旋轉時會發出穩定的無線電脈衝,記錄這些脈衝到達地球的時間,研究人員就會知道脈衝星何時朝向地球、何時遠離地球。

正常來說,脈衝星的脈衝訊號極度規律,精確度比原子鐘還要高,如果這些訊號抵達地球的時間開始發生變化,就表明訊號發射路徑出現了干擾。而最新研究成果顯示,該脈衝星的軌道在過去 20 年中逐漸傾斜,雖然每年僅漂移 0.0004 度,但只是一點點偏差就足以讓科學家證明軌道一直緩慢進動,而究其原因就是周圍時空被大質量天體扭曲了。

同時,科學家還利用脈衝星訊號的變化,間接得出這顆白矮星每 100 秒旋轉一次,這對白矮星來說相當高速。在極端系統進行極端檢驗,科學家再次見證廣義相對論是有多麼的堅不可摧。新論文發表在《科學》(Science)期刊。

(首圖來源:馬克思普朗克電波天文研究所

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