16 年雙脈衝星系統觀測再度挑戰廣義相對論，結果：愛因斯坦還是對的
過去 105 年來，科學家們努力反覆測試愛因斯坦的廣義相對論，試圖找出不足之處，然而至今一個都沒找到。現在，一項觀察特殊雙脈衝星系統 PSR J0737-3039 長達 16 年的研究，再度證實了廣義相對論多項預測完全正確，簡直就是越檢驗越屹立不搖。
脈衝星、磁星都屬於中子星，它們具有超高密度物質、超導/超流體內部、超高速自轉、超強引力與磁力等特性，是繼黑洞後宇宙密度最大的天體，但在至今已知的數千顆中子星中，磁星與脈衝星僅發現數十至數百顆，相對罕見。
當中，PSR J0737-3039 又是目前唯一已知由雙脈衝星互相繞旋組成的系統，其中一顆每秒自轉 45 次，另一顆每秒自轉 2.8 次，兩者每 2.5 小時相互繞旋一圈，它們就像宇宙中的燈塔，從極點規律發射無線電波束並產生極強大引力場。由於角動量守恆，中子星自轉非常穩定，但它們又幾乎和黑洞一樣緊湊，也就是說，脈衝星像時鐘規律的脈衝輻射存於被強力彎曲的時空中，是我們測試引力理論最好的對象之一。
近 16 年來，由德國馬克斯·普朗克電波天文研究所天文學家 Michael Kramer 領導的團隊，透過世界各地 7 台望遠鏡一直在監測 PSR J0737-3039，若根據廣義相對論，雙脈衝星系統的極端加速度會拉緊時空結構並發出漣漪，進而減慢系統速度，預計 2 顆脈衝星將在 8,500 萬年後碰撞。
而來自脈衝星類似時鐘的規律滴答聲是追蹤微小擾動的完美工具：電波望遠鏡偵測到的脈衝訊號抵達時間，會被雙星軌道運動以一種特有方式改變，只要長期監測這種時間差，就可以測量軌道運動微小變化，比如過去對 Hulse-Taylor 脈衝星（第一個已知包含脈衝星的雙星系統）的觀測結果，表明系統公轉軌道半徑縮小且公轉速度加速，說明軌道能因重力波輻射而損失。
▲ 世界各地 7 台電波望遠鏡長達 16 年的數據，證明廣義相對論是對的。
比起 Hulse-Taylor 脈衝星，PSR J0737-3039 在研究引力方面優於前者，研究團隊總共測試了廣義相對論中 7 項預測，包括雙星橢圓軌道方向的變化（拱點進動，Apsidal precession）、脈衝星在旋轉時拖動時空的方式（冷澤-提爾苓進動，Lense-Thirring Precession）等，結果顯示所有參數都與廣義相對論預期的一致。
此外，透過測量脈衝星走完一圈公轉軌道所需的時間，研究人員確定這對脈衝星每天彼此更靠近 7 毫米，表明脈衝星的軌道正在縮小，原因就是重力波向外振動帶走能量，顯然就算新的數據讓觀測精度提高 25 倍，廣義相對論仍通過了更嚴苛的考驗。
第三，研究還發現脈衝星正在失去質量，自轉速度更快的那顆脈衝星每秒損失約 800 萬噸物質，以前這種現象因太過渺小而被忽略，但高精度新數據證明了脈衝星隨時間推移微微減速並失去質量，同時微妙地讓軌道產生變化。
最後，研究人員還有了脈衝星半徑的頭緒，藉由拖曳效應得知自轉速度更快的脈衝星半徑必須小於 22 公里。
而一些意欲取代廣義相對論的理論認為，脈衝訊號抵達時間可能與廣義相對論預測存在較大偏差，但這篇研究證明了各種參數都與廣義相對論達到驚人一致，準確率 99.99% 以內。
要到哪一天，科學家才可能發現廣義相對論的盲點呢？新論文發表在《Physical Review X》期刊。
The only known pulsar duo sheds new light on general relativity and more
16-Year Study of Extreme Stars Has Once Again Proved Einstein Is Still Right
（圖片來源：CSIRO）
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