即使是密度驚人的中子星也會像羽毛一樣落下

即使是密度驚人的中子星也會像羽毛一樣落下

愛因斯坦對引力的理解，正如他的廣義相對論所概述的那樣，預示著所有的物體都以同樣的速度下落，無論它們的質量或成分如何。這個理論在地球上經受了一次又一次的考驗，但對於已知的宇宙中一些最龐大、密度最大的物體來說，這個理論仍然成立嗎?一個國際天文學家小組對這個揮之不去的問題進行了有史以來最嚴格的測試。他們的發現發表在《自然》雜誌上，表明愛因斯坦對重力的洞見仍然有影響力，即使是在宇宙所能提供的最極端的情況下。

拿掉所有的空氣，一個鎚子和一根羽毛也會以同樣的速度下降——這是伽利略在15世紀晚期探索的一個概念，阿波羅15號宇航員大衛·斯科特(David Scott)在月球上做了著名的說明。

雖然是牛頓物理學的基石，但愛因斯坦的引力理論解釋了為什麼會這樣。迄今為止，愛因斯坦的方程已經通過了所有的測試，從細緻的實驗室研究到對太陽系中的行星的觀測。但是，愛因斯坦廣義相對論的替代理論預測，像中子星一樣，具有超強引力的緻密物體與質量較低的物體的下落略有不同。這些不同的理論預測，這種差異可能是由於緻密物體的所謂的引力結合能，即將其結合在一起的引力能。

2011年，美國國家科學基金會(National Science Foundation)的綠色銀行(Green Bank)望遠鏡(GBT)發現了一個自然實驗室，可以在極端條件下驗證這一理論:一個名為PSR J0337+1715的三重恆星系統，距離地球約4200光年。這個系統包含一顆中子星，它與一顆白矮星在1.6天的軌道上運行，與另一顆白矮星在327天的軌道上運行。

「這是一個獨特的恆星系統，」西弗吉尼亞州格林班克天文台的Ryan Lynch說，他也是這篇論文的合著者。「我們不知道還有誰會喜歡它。」這使它成為一個獨一無二的實驗室，用來檢驗愛因斯坦的理論。

自發現以來，GBT、荷蘭的Westerbork合成射電望遠鏡和波多黎各的NSF的Arecibo天文台定期觀測到這一三重系統。GBT已經花了400多個小時觀察這個系統，獲取數據並計算每個物體之間的運動。

這些望遠鏡是如何研究這個系統的?這個特殊的中子星實際上是脈衝星。許多脈衝星的旋轉強度堪比地球上最精確的原子鐘。林奇說:「作為世界上最敏感的射電望遠鏡之一，GBT能夠接收這些微弱的無線電波脈衝來研究極端物理學。」這個系統中的中子星每秒脈衝(旋轉)366次。

阿姆斯特丹大學和荷蘭射電天文學研究所的安妮·阿奇博爾德(Anne Archibald)說:「自從我們開始觀測以來，我們可以解釋中子星的每一個脈衝。」阿奇博爾德是這篇論文的主要作者。「我們可以在幾百米之內知道它的位置。這是一個關於中子星的精確軌跡"

如果愛因斯坦的引力圖的替代物是正確的，那麼中子星和內白矮星將會不同於外白矮星。弗吉尼亞州夏洛茨維爾國家射電天文台的天文學家斯科特·蘭森(Scott Ransom)說，他是這篇論文的作者之一。

通過細緻的觀察和細緻的計算，這個團隊能夠僅使用中子星的脈衝來測試系統的重力。他們發現，中子星和內白矮星之間的加速度差異太小，無法探測到。

阿姆斯特丹大學的Nina Gusinskaia合著者說:「如果存在差異，那也不過是百萬分之三。」這對任何替代廣義相對論的理論都造成了嚴重的限制。

這個結果比先前最好的重力測試精確了十倍，使愛因斯坦的強等效原理的證據更加有力。「我們總是在新地方尋找更好的測量方法，所以我們探索宇宙新邊界的探索將會繼續下去，」蘭塞姆總結道。

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