通過帕克斯射電望遠鏡，天文學家首次觀測到座標系拖曳現象。（圖片來源：Mark Myers ARC Centre of Excelle

100多年前，在愛因斯坦提出廣義相對論後，不少天文學家提出了通過天文觀測驗證廣義相對論的猜想，座標系拖曳效應就是其中之一。現在，廣義相對論早已得到驗證，但微弱的座標系拖曳效應始終沒有得到觀測證實。終於，在一項發表於《科學》雜誌的研究中，澳洲斯威本科技大學領導的研究團隊從一個罕見的雙星系統中，首次證實了該效應。

1916年，愛因斯坦發表了對現代物理學影響深遠的廣義相對論。但在廣義相對論誕生之初，很多物理學家對此持懷疑態度——畢竟，如此具有顛覆性的理論，只有通過了觀測驗證，才能真正被廣大學者接受。

廣為人知的是，100年前，英國科學家愛丁頓用著名的日全食實驗首次驗證了廣義相對論。但除此之外，還有不少物理學家預測了廣義相對論可以導致的其他效應。座標系拖曳，就是其中之一。

1918年，兩位奧地利物理學家Josef Lense和Hans Thirring意識到，如果廣義相對論成立，那麼任何天體在自轉時，都會對周圍的時空產生拖曳效應，這種現象被稱作座標系拖曳（Frame-dragging）或慣性系拖曳。

下面這個例子，可以幫助我們理解上述現象。我們向一隻碗裡倒入粘稠的糖漿，然後把一根球形的棒棒糖按進去。這時我們快速轉動棒棒糖的棍子，會看到什麼現象？棒棒糖周圍的糖漿開始跟著旋轉。同樣，任何做著自轉的天體，其周圍的時空也會跟著偏移。只不過，糖漿是被摩擦力拖動，而拖曳時空的則是引力場。

雖然理論上說得通，但要真正觀測到這個現象，卻異常困難。座標系拖曳效應太微弱了。幾乎整個20世紀，人們從宇宙中尋找該效應的努力始終沒有成果。

20世紀90年代到本世紀初，科學家試圖用足夠靈敏的儀器檢測地球自轉產生的時空拖曳。為此，NASA先後啟動了LAGEOS衛星實驗和引力探測B實驗，通過陀螺儀等靈敏的手段尋找這一效應。這兩項實驗，尤其是引力探測B實驗有所收穫，檢測到了與廣義相對論預言一致的結果。但這些實驗的誤差控制，始終沒有達到預期。

罕見的雙星系統

由於品質小、轉速慢的地球的座標系拖曳效應太過微弱，天文學家將視線投向更遙遠的宇宙，希望在高速旋轉的大品質天體中觀測到該效應。

1999年，澳洲天文學家通過帕克斯射電望遠鏡，發現兩千光年外的南十字星座中存在一個特殊的雙星系統。這個名為PSR J1141-6545的雙星系統，由一顆白矮星和它的伴星脈衝星組成。其中，中子星直徑只有20千米，品質卻超過了整個太陽系。而白矮星品質略小於這顆中子星，體積與地球相當。

白矮星與圍繞其運轉的脈衝星組成的雙星系統。（圖片來源：Mark Myers ARC Centre of Excellence for Gravit

對於天文學家來說，這個雙星系統為觀測座標系拖曳效應提供了絕佳場所。

一方面，這顆白矮星的自轉週期只有幾分鐘，高速旋轉的白矮星產生的座標系拖曳效應，是地球的1億倍之多。

當然，僅僅產生這個效應，並不足以讓地球上的望遠鏡觀測到。這時，繞白矮星執行的脈衝星成了關鍵。脈衝星是快速旋轉的中子星，如同海面上的燈塔，其磁極在自轉的同時不斷髮出射電束。對於地球上的觀測者而言，這一一束訊號如同精準的時鐘，忠實記錄著脈衝星的運動軌跡。如果訊號間的時間間隔出現變化，則意味著脈衝星的執行軌道出現了偏移。而這樣的偏移，恰好成為尋找座標系拖曳效應的視窗。

另一個不容或缺的因素，是PSR J1141-6545極為罕見的誕生過程。白矮星與中子星組成的雙星系統很常見，但這樣的系統中，中子星往往率先形成。而白矮星更“年長”的雙星系統，算上PSR J1141-6545，目前得以確認的一共只有兩個。

在這樣的系統中，一顆恆星率先死亡，形成白矮星。白矮星獲取伴星的氣態物質，旋轉加速；隨後，其伴星通過超新星爆發形成脈衝星。

這一點之所以重要，是因為與普通的雙星系統相比，PSR J1141-6545可以保留脈衝星典型的磁場特徵，幫助天文學家分辨出其軌道資訊。

發現訊號

這個匯聚了一切有利條件的系統，自然成為研究團隊關注的焦點。自2000年起，澳洲的帕克斯望遠鏡和UTMOST射電望遠鏡開始對其進行持續觀測，希望找到軌道引數長期變化的證據。

2015年，他們終於觀測到了軌道微弱的偏移。但這還不夠——除了這個效應，其他因素也可能產生影響，例如自轉本身會將中子星壓縮得更“扁”，從而改變其引力場。因此，研究團隊通過資料處理，從訊號中篩去其他因素的干擾，找到了軌道平面方向長期、逐步的變化——只有這樣的訊號，才是其他效應無法解釋的。

下一個問題是，這個罕見的雙星誕生過程是否成立？計算機模擬證實了這種可能性。這些天文學家找到了丹麥奧胡斯大學的Thomas Tauris，通過模擬驗證了這個過程。研究發現，在對兩顆恆星最初的品質及軌道進行嚴格限制後，類似於PSR J1141-6545的系統完全有可能出現。

這項研究終於為延續一百年的猜想，提供了精確的天文學觀測驗證，也再一次證實了廣義相對論。除此之外，座標系拖曳效應的發現，對於現代天文學還有著其他意義。

作為宇宙中最緻密的物質，中子星內的成分始終沒有確切的答案。這項研究的第一作者Venkatraman Krishnan表示，在兩顆脈衝星構成的雙星系統中，應該也能觀測到該效應。這樣的觀測，可以幫助科學家確認這些脈衝星的準確體積，從而揭示其神祕的內部組成。

撰文：吳非

原始論文：

https://science.sciencemag.org/cgi/doi/10.1126/science.aax7007

參考連結：

https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-01/tarc-awt012820.php

https://www.scientificamerican.com/article/bizarre-cosmic-dance-offers-fresh-test-for-general-relativity/