双脉冲星验证爱因斯坦广义相对论

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PSR J0737-3039A/B双脉冲星系统

　　最新观测证实了相对论的正确
　　加拿大麦吉尔大学的科学家们称，自广义相对论诞生之日起，它所带来的时空观革命就极大地拓展了人类对宇宙的理解。从相对论中，人们发现了时间旅行的奥秘、原子裂变的巨大能量、宇宙的起源和终结、黑洞和暗能量等奇妙现象。几乎宇宙所有的奥秘都隐藏在相对论那几行简单的公式中。脉冲星是一种体积较小、极端致密的恒星。这种恒星是由于巨大星体消亡或超新星激烈爆发后形成的天体。脉冲星密度极大，一个质量超过太阳的脉冲星体积可能只有蒙特利尔市一般大小。他们以惊人速度在太空自转运行，产生巨大的重力场，并通过各自的磁极辐射超强电磁波。地球上的射电望远镜如同旋转的灯塔一样，全天候跟随脉冲星的运行而时时观测。在银河系中，目前已经观测到了1700多颗脉冲星。此前发现的PSR J0737-3039A/B脉冲星是目前唯一已知的双脉冲星系统。
　　科学家称，双脉冲星系统，也即两颗脉冲星紧密联系在一起，每一个星体都限制在另一颗的近轨中。实际上，两颗脉冲星距离如此之近，在太阳系内也同样能够形成双脉冲星系统。PSR J0737-3039A/B距离地球达1700光年。由于脉冲星体积太小，而且与地球距离太远，因此人类很难直接观测到他们的方位。但是，研究人员很快找到一个可行性的观测方法：利用天蚀现象观测。
　　PSR J0737-3039A/B双脉冲星系统由两颗位于“2.4小时”轨道的脉冲星组成。每颗脉冲星通过各自磁极向外辐射电磁波。地球上的射电望远镜根据 脉冲星的电磁波进行跟踪观测，其中一颗每23毫秒可观测一次，一颗每2.8秒可观测一次。近乎完美的双脉冲星轨道组合，从而产生了23毫秒脉冲星的天蚀现象。在每一圈公转中，当23毫秒脉冲星运行至2.8秒脉冲星背后时，形成天蚀现象。天蚀现象由2.8秒脉冲星的磁气圈产生。通过天蚀现象，人们可以推测2.8秒脉冲星的方向。因为2.8秒脉冲星方位的改变会影响另一颗脉冲星所辐射的电磁波的线路。根据传统的牛顿物理学观点，星球在围绕其他中心天体公转时，其自转轴方向相对于中心天体来说通常是固定的。但是，爱因斯坦广义相对论却预言天体自转轴也会发生缓慢运动。
　　经过四年时间的观测，麦吉尔大学脉冲星研究小组得出结论认为，脉冲星的运动验证了爱因斯坦的预言，即广义相对论在超强重力场中仍然起作用。
　　麦吉尔大学脉冲星研究小组对爱因斯坦的广义相对论进行的新一轮验证实验，由天体物理学在读博士布里多尼具体负责。布里多尼解释，双脉冲星系统正好是验证广义相对论预言的最理想环境。没有人能够再找到比这体积更大、距离更近的天体。爱因斯坦曾经预言，在强重力场中天体的自转运动会缓慢转向，正如双脉冲星互相绕行的道理一样。因此，2颗沿轨道互相绕行的脉冲星，恰好可以验证广义相对论在超强重力场中仍然起作用的预言。据布里多尼介绍，到目前为止，爱因斯坦的广义相对论已经通过了多次验证。布里多尼的研究团队对双脉冲星系统的观测和研究，采用的是建在美国西弗吉尼亚州绿岸望远镜。该望远镜是世界上最大的全天可动的单天线射电望远镜。
　　广义相对论曾屡遭质疑
　　爱因斯坦1905年发表了他最为著名的理论--相对论。1917年，爱因斯坦又试图根据广义相对论方程推导出整个宇宙的模型，但他发现，在这样一个只有引力作用的模型中，宇宙不是膨胀就是收缩。为了使这个宇宙模型保持静止，爱因斯坦在他的方程里额外增加了一个新的概念--宇宙常数，它表示的是一种斥力，同引力相反，它随着天体之间距离的增大而增强。这是一个假想的、用以抵消引力作用的力。
　　然而，爱因斯坦很快发现自己错了。因为科学家们很快发现，宇宙实际上是在不断膨胀的。最早观察到这一点的是20世纪的天文学之父哈勃。哈勃1889年出生于美国的密苏里州，毕业于芝加哥大学天文系。1929年，哈勃发现所有星系都在远离我们而去，这表明宇宙正在不断膨胀。这种膨胀是一种全空间的均匀膨胀，因此，在任何一点的观测者都会看到完全一样的膨胀，从任何一个星系来看，一切星系都以它为中心向四面散开，越远的星系间彼此散开的速度越大。宇宙的膨胀意味着，在早先，星体相互之间更加靠近，并且在更遥远过去的某一刻，它们似乎在同一个很小的范围内。
　　根据宇宙大爆炸理论，极早期的宇宙是一大片由微观粒子构成的均匀气体，温度极高，密度极大，且以很大的速率膨胀着。伽莫夫还作出了一个非凡的预言：我们的宇宙仍沐浴在早期高温宇宙的残余辐射中，不过温度已经下降很多。正如一个火炉虽然不再有火了，还可以冒一点热气。1964年，美国贝尔电话公司年轻的工程师--彭齐亚斯和威尔逊，因一次偶然的机会发现了伽莫夫所预言的早期宇宙的残余辐射，经过测量和计算，得出这个残余辐射的温度是2.7K。这一发现有力的佐证了宇宙大爆炸理论。广义相对论的智慧之处就在于，它从诞生起就能描述整个完整的宇宙，即使那些未知的领域也被全部囊括进去。

非常重要的结论。

这次的证明是否经得起历史的检验，还需看看以后的观测。他们这次使用的观测方法与泰勒前面的观测方法完全不同，我认为其可靠性远没有泰勒的方法可靠。
但愿这次不要再犯错误。前面曾经有人对其中的A星的自转轴进动进行过计算，预测说它的进动很快，辐射波形会有很快的变化，2025年左右，其辐射束将不再扫过地球，我们将看不到它的辐射。后来的观测证明，该预测是错误的。

下面两段动画很好地介绍了他们的计算方法：
http://www.sciencemag.org/content/vol321/issue5885/images/data/104/DC1/1159295s1.mov
http://www.sciencemag.org/content/vol321/issue5885/images/data/104/DC1/1159295s2.mov

如果他们这次的进动计算是可靠的，那么，我们提出的脉冲星模型将可以得到检验。
按照我们的模型，脉冲星的波形跟转轴进动是弱相关关系，就算自转轴发生了180度的变化，脉冲辐射都永远能被观测到。而按照主流模型，当转轴进动角度较大的时候，脉冲就不再扫过地球，就看不到脉冲了。

这次的计算显示，在20004年到2029年期间，B星的自转轴将进动100度以上（参见动画2），按照主流模型，B星的脉冲信号应该在未来的十多年里消失才对。我们敢打赌，观测一定会给出否定的结果。