白矮星（中部）及其伴星脈衝星構成了極好的自然引力實驗室。圖片：Mark Myers/OzGrav

愛因斯坦廣義相對論的預言之一是，任何旋轉的物體都會在其周圍拖動時空結構。這稱為“參考系拖拽（Frame-dragging）”。

在日常生活中，參考系拖拽既不可檢測又無關緊要，因為其影響是如此之小。要探測整個地球自轉引起的參考系拖拽，就需要諸如價值7.5億美元的重力探測器B之類的衛星，並且要檢測到陀螺儀的角度變化，每十萬年左右僅變化一度。

對我們來說幸運的是，宇宙包含許多自然發生的引力實驗室，物理學家可以在其中精確地觀察愛因斯坦在工作中的預測。科學家們今天在《科學》雜誌上發表的研究報告，通過使用射電望遠鏡和一對獨特的緊湊恆星以眩暈的速度彼此圍繞，在更大的範圍內揭示了參考系拖拽證據。

這些恆星的運動會使牛頓時代的天文學家感到困惑，因為它們明顯在扭曲的時空中運動，需要愛因斯坦的廣義相對論來解釋其軌跡。

廣義相對論是現代引力理論的基礎。它解釋了恆星、行星和衛星的精確運動，甚至時間的流逝。它鮮為人知的預測之一是，旋轉的天體會隨時間拖動周圍的時空。物體旋轉得越快，它越重，拖拽就越大。

CSIRO的Parkes射電望遠鏡發現了白矮星脈衝星雙星系統PSR J1141-6545。脈衝星每4.8小時繞其白矮星伴星軌道一次。白矮星的快速旋轉在其周圍拖曳了時空，導致整個軌道在太空中翻滾。圖片：Mark Myers/ARC引力波發現卓越中心（OzGrav）

一種稱為白矮星的天體與這種現象關係非常密切。白矮星這是死去恆星留下的核，它們曾經是我們太陽品質的幾倍，但此後耗盡了氫燃料。剩下的東西大小與地球相似，但品質卻是成千上萬倍。白矮星可以非常快速地旋轉，每分鐘或每兩分鐘旋轉一圈，而不是像地球那樣每24小時旋轉一圈。

由這樣的白矮星引起的參考系拖拽大約是地球的1億倍。

理論上很好，但是我們不能飛到白矮星周圍發射衛星。不過，幸運的是，自然界對天文學家是友善的，它有自己的方式讓我們通過稱為脈衝星的繞星飛行來觀察它們。

二十年前，CSIRO的Parkes射電望遠鏡發現了一個獨特的恆星對，它由一個白矮星（約地球的大小，但重約30萬倍）和一個脈衝星（僅相當於一個城市的大小，但重了40萬倍）組成。

與白矮星相比，脈衝星完全在另一個世界中。它們不是由常規原子製成，而是由緊密堆積在一起的中子組成，從而使其密度異常高。這顆研究中的脈衝星每分鐘旋轉150圈。

這意味著每分鐘有150次，此脈衝星發出的無線電波像燈塔光束一樣掃過地球上有利觀測的位置。我們可以用它來繪製脈衝星繞白矮星執行時的路徑，方法是定時確定脈衝的脈衝到達我們的望遠鏡的時間，並知道光速。這種方法揭示了兩顆恆星在不到5小時的時間內彼此繞行。

這對恆星，正式明稱為PSR J1141-6545，是理想的重力實驗室。自2001年以來，科學家每年幾次前往Parkes進行製圖，以繪製出該系統的軌道圖，該軌道表現出多種愛因斯坦引力效應。

繪製軌道的演化圖需要極大的耐心，幸運的是的測量非常精確。儘管PSR J1141-6545的距離為幾百quadrillion公里（1 quadrillion是1000000000000000），但科學家知道脈衝星每秒旋轉2.5387230404次，並且它的軌道在太空中翻滾。這意味著其軌道平面不是固定的，而是緩慢旋轉的。

當成對的恆星誕生時，最大的恆星首先死亡，通常會造出白矮星。在第二顆恆星死亡之前，它將物質轉移到其白矮星伴星。當這些物質向白矮星墜落時，會形成一個圓盤，在數萬年的過程中，它使白矮星加速旋轉，直到每隔幾分鐘旋轉一次。

扭曲的證據：我們觀察到一顆旋轉的恆星拖動了空間和時間

白矮星的物質從同伴轉移而來。膨脹的恆星表面的物質向白矮星墜落，並形成了一個物質盤，其移動如此之快，導致恆星快速旋轉。圖片：ARC引力波發現卓越中心

在極少數情況下，第二顆恆星隨後會發生超新星爆發，留下脈衝星。快速旋轉的白矮星在其周圍拖拽時空，使脈衝星的軌道平面隨著被拖拽而傾斜。這種傾斜是通過脈衝星軌道作圖而觀察到的。

愛因斯坦本人認為，他對空間和時間的許多預測將永遠不可觀察。但是在過去的幾年中，極端天體物理學發生了革命，包括髮現引力波和使用全球望遠鏡網路成像黑洞陰影。這些發現是由數十億美元的設施完成的。

幸運的是，具有50年曆史的射電望遠鏡（如Parkes的射電望遠鏡）加上幾代人的努力，在探索廣義相對論中，仍然可以發揮作用。

更多資訊：V. Venkatraman Krishnan et al. Lense–Thirring frame dragging induced by a fast-rotating white dwarf in a binary pulsar system, Science (2020). DOI: 10.1126/science.aax7007

原文：The Conversation