射电脉冲星双星证明爱因斯坦至少99。99正确

　　研究人员进行了一项长达16年的实验，以挑战爱因斯坦的广义相对论。国际团队通过遍布全球的七个射电望远镜观察恒星 - 确切地说是一对称为脉冲星的极端恒星。图片来源：马克斯·普朗克射电天文学研究所
　　自从爱因斯坦正式确定他的广义相对论（GR）以来，已经过去了一百多年，这个引力几何理论彻底改变了我们对宇宙的理解。然而，天文学家仍在对其进行严格的测试，希望找到与这一既定理论的偏差。原因很简单：任何超越GR的物理学迹象都将为宇宙打开新的窗口，并有助于解决宇宙中一些最深层次的奥秘。
　　最近，由德国波恩马克斯普朗克射电天文学研究所（MPIfR）的迈克尔·克莱默（Michael Kramer）领导的一个国际天文学家团队进行了有史以来最严格的测试之一。克莱默和他的同事们使用来自世界各地的七台射电望远镜，观察了一对独特的脉冲星16年。在此过程中，他们首次观察到GR预测的影响，准确率 至少为99.99%！
　　除了来自MPIfR的研究人员外，Kramer和他的同事还加入了来自十个不同国家的机构的研究人员 - 包括Jodrell Bank天体物理中心（英国），ARC引力波发现卓越中心（澳大利亚），Perimeter理论物理研究所（加拿大），巴黎天文台（法国），Osservatorio Astronomico di Cagliari（意大利）， 南非射电天文台（SARAO），荷兰射电天文研究所（ASTRON）和阿雷西博天文台。
　　脉冲星是快速旋转的中子星，发射出狭窄而广泛的无线电波束。图片来源：美国宇航局戈达德太空飞行中心
　　＂射电脉冲星＂是一类特殊的快速旋转、高度磁化的中子星。这些超密集的物体从它们的两极发出强大的无线电波束（当与它们的快速旋转相结合时）产生类似于灯塔的频闪效果。天文学家对脉冲星着迷，因为它们提供了有关超紧凑物体，磁场，星际介质（ISM），行星物理学甚至宇宙学的物理学的大量信息。
　　此外，所涉及的极端引力允许天文学家在一些可以想象的最极端的条件下测试GR和修正牛顿动力学（MOND）等引力理论的预测。为了他们的研究，克莱默和他的团队检查了PSR J0737-3039 A / B，这是位于Puppis星座中距离地球2，400光年的＂双脉冲星＂系统。
　　该系统是有史以来唯一观测到的无线电脉冲星 双星，由研究小组成员于2003年发现。构成这个系统的两颗脉冲星具有快速旋转 - 每秒44次（A），每2.8秒一次（B） - 并且相互绕行，周期仅为147分钟。虽然它们的质量比太阳大30%，但它们的直径只有24公里（15英里）。因此，它们具有极端的引力和强烈的磁场。
　　除了这些特性之外，该系统的快速轨道周期使其成为测试引力理论的近乎完美的实验室。正如克莱默教授在最近的MPIfR新闻稿中所说：
　　＂我们研究了一个致密恒星系统，这是一个无与伦比的实验室，可以在存在非常强的引力场的情况下测试引力理论。令我们高兴的是，我们能够测试爱因斯坦理论的基石，引力波 携带的能量，其精度比诺贝尔奖获得者Hulse-Taylor脉冲星高25倍，比目前引力波探测器高1000倍。
　　艺术家对恒星S2经过人马座A*非常接近的路径的印象，这也使天文学家能够在极端条件下测试广义相对论的预测。图片来源：ESO/M. Kornmesser
　　七台射电望远镜用于16年的观测活动，包括帕克斯射电望远镜（澳大利亚），绿岸望远镜（美国），南切伊射电望远镜（法国），埃菲尔斯贝格100米望远镜（德国），洛弗尔射电望远镜（英国），韦斯特博克合成射电望远镜（荷兰）和超长基线阵列（美国）。
　　这些天文台覆盖了无线电频谱的不同部分，范围从334 MHz和700 MHz到1300 – 1700 MHz，1484 MHz和2520 MHz。通过这样做，他们能够看到来自这颗双星脉冲星的光子如何受到其强大的引力的影响。正如该研究的共同作者，来自温哥华不列颠哥伦比亚大学（UBC）的Ingrid Steps教授所解释的那样：
　　＂我们跟踪宇宙灯塔，脉冲星发射的无线电光子的传播，并跟踪它们在伴星的强引力场中的运动。我们第一次看到，光不仅由于伴星周围的时空的强烈曲率而延迟，而且还看到光被我们可以检测到的0.04度的小角度偏转。以前从未在如此高的时空曲率下进行过这样的实验。
　　正如澳大利亚联邦科学与工业研究组织（CSIRO）的合著者Dick Manchester教授所补充的那样，像这样的紧凑型物体的快速轨道运动使他们能够测试对GR的七种不同预测。这些包括引力波，光传播（＂夏皮罗延迟和光弯曲＂），时间膨胀，质能当量（E = mc2），以及电磁辐射对脉冲星轨道运动的影响。
　　西弗吉尼亚州的罗伯特·C·伯德绿岸望远镜（GBT）。图片来源：GBO/AUI/NSF
　　＂这种辐射相当于每秒800万吨的质量损失！＂他说。＂虽然这似乎很多，但这只是一小部分 - 一千亿分之三（！- 脉冲星每秒的质量。研究人员还对脉冲星轨道方向的变化进行了极其精确的测量，这是一种相对论效应，最初是在水星轨道上观察到的 - 以及爱因斯坦的GR理论帮助解决的奥秘之一。
　　只有在这里，效果要强14万倍，这使得研究小组意识到他们还需要考虑脉冲星旋转对周围时空的影响。Lense-Thirring效果，或＂帧拖动＂。正如该研究的另一位主要作者MPIfR的Norbert Wex博士所说，这允许另一个突破：
　　＂在我们的实验中，这意味着我们需要考虑脉冲星的内部结构作为中子星 。因此，我们的测量使我们能够首次使用中子星旋转的精确跟踪，我们称之为脉冲星计时的技术，以限制中子星的延伸。
　　从这个实验中得出的另一个有价值的结论是，该团队如何结合互补的观测技术来获得高精度的距离测量值。过去，类似的研究往往受到距离估计限制不严格的阻碍。通过将脉冲星定时技术与仔细的干涉测量（以及ISM的影响）相结合，该团队获得了2，400光年的高分辨率结果，误差率为8%。
　　艺术家对两颗合并的中子星的插图。窄光束代表伽马射线暴，而涟漪时空网格表示表征合并的各向同性引力波。图片来源：NSF/LIGO/索诺玛州立大学/A. Simonnet
　　最后，该团队的结果不仅与GR一致，而且还能够看到以前无法研究的效果。正如该研究的另一位合著者保罗·弗莱雷（Paulo Freire）（也是来自MPIfR）所表达的那样：
　　＂我们的结果与其他实验研究很好地互补，这些研究在其他条件下测试重力或看到不同的效果，如引力波探测器或事件视界望远镜。它们还补充了其他脉冲星实验，比如我们在恒星三重系统中对脉冲星的定时实验，它为自由落体的普遍性提供了独立（和精湛）的测试。
　　＂我们已经达到了前所未有的精确度，＂克莱默教授总结道。＂未来使用更大望远镜的实验可以而且将会走得更远。我们的工作已经表明了进行此类实验的方式，以及现在需要考虑哪些微妙的影响。而且，也许，有一天我们会发现与广义相对论的偏差。
　　描述他们研究的论文最近发表在《物理评论X》杂志上，
　　最初发表于《今日宇宙》。