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​1916年,愛因斯坦發表了著名的廣義相對論,預測了許許多多反直覺的效應,參考系拖拽就是其中之一。

參考系拖拽又稱冷澤-提爾苓效應,該理論認為時空會被旋轉中的大品質物體帶動而一起轉動,就像是把自轉的星球浸入蜂蜜中,周圍的蜂蜜會隨著星球的自轉而一起轉動。

一百多年過去了,廣義相對論不斷在巨集觀尺度上被驗證,但參考系拖拽卻長期沒有被有力的證據證實。

而2020年1月30日發表的一篇研究發現,時空真的正在圍繞著一顆死去的恆星旋轉。這是怎麼一回事呢?

早在20世紀90年代初,科學家就曾經嘗試過使用高精度衛星來探測地球產生的參考系拖拽現象,NASA也先後發射了LAGROS和引力探測B兩顆衛星,企圖通過靈敏陀螺儀來判定時空的拖拽。

地球只是一顆品質小,轉速慢的行星,其產生的參考系拖拽效應十分微弱,需要一顆十分靈敏的衛星才能探測到。上述兩顆衛星只有引力探測B衛星有所發現。它擁有一枚史上最接近正圓球體的陀螺儀,進入太空後球體便開始不斷旋轉。

如果沒有參考系拖拽,那麼一個圍繞地球旋轉的球體軌道方向應該始終相同,而由於地球的自轉,距離地球較近的空間扭曲速度會略快於較遠的空間,這意味著在距離地球較近的空間內執行的物體會受到一點空間上的推動,最終該物體會隨著時間的推移而偏離執行方向。

最終,發射於2004年的引力探測B探測到了符合廣義相對論的參考系拖拽,但由於誤差的控制,實驗結果沒有達到預期。

在發射衛星的同時,科學家也將目光看向了遙遠的宇宙。

在1999年,澳洲的天文學家就通過帕克斯射電望遠鏡發現了1萬光年外的一個雙星系統。該系統名為PSR J1141-6545,由一顆白矮星和一顆脈衝星組成。位於蒼蠅座中,靠近南十字座,距離地球約為1萬-2.5萬光年。

該系統中的白矮星品質約為地球的30萬倍,與太陽品質相仿,而脈衝星品質為地球的40萬倍,約為太陽的1.27倍,不過這枚脈衝星直徑僅20千米,也就是一個小鎮的水平。這兩枚星體間的最大距離僅為太陽的直徑,執行週期為5小時。

系統中的白矮星運轉速度最快,其自轉週期僅為幾分鐘,其旋轉產生的座標系拖拽效應將達到地球產生的1億倍。

不過哪怕倍數如此之多,但跟巨集觀比起來還是十分微弱,僅僅通過望遠鏡還是難以進行觀測。不過好在還有一枚環繞其執行的脈衝星。

脈衝星由於每隔一段時間就會發送一個尖銳的射電脈衝,因此科學家可以依次追蹤脈衝星的軌道並進行精確的測量。

20年來,科學家一直在以100微秒的精度密切監視著PSR J1141-6545中的脈衝星的軌道,他們發現,在長期的運轉中,脈衝星和白矮星彼此圍繞的旋轉發生了長期偏移。

在2015年科學家就已經發現脈衝星軌道產生了微弱的偏移,不過這也有可能是其他因素的影響,例如中子星本身自轉就會將其壓縮得更“扁”,從而影響引力場。而科學家們經過長期的研究計算,排除了干擾因素後,最終找到了軌道平面方向長期且逐步的變化。科學家認為這種變化應該就是白矮星快速自轉引發的對脈衝星軌道的參考系拖拽效應。

經過計算得出,該白矮星每小時會繞軸線自轉30次。

詳細的研究結果已發表在1月30日的《科學》期刊上。

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