中子星和白矮星“双星”弯曲时空

假如有某个探索者有幸生活在中子星的表面，那么科学家会给出不幸的答案，在一颗中子星的引力场环境，该探索者的身体占有的空间体积为一立方英寸或2.54立方厘米，人小到几乎从人们的视线中消失。科学家发现了一颗处于双星系内的中子星，该中子星被命名为PSRJ0348+0432，它与地球的距离为7000光年。不同寻常的中子星有极端的密度，PSRJ0348+0432的质量大约是太阳的两倍，它被严严实实地包裹在直径小于13英里或20.92公里的球体中，自转的速度为每秒25圈，该中子星释放了稳定和可以被探测的射电脉冲。

中子星PSRJ0348+0432或中子星0432有一颗伴星，一颗白矮星在其周围旋转，死亡恒星发生爆炸后留下了白矮星遗骸，白矮星和中子星相互绕转，形成了双星系，相互绕转的周期为144分钟。天文学家在观测该中子星时在大脑中酝酿了一个想法，脉冲星或中子星的极端引力场使得双星彼此靠近，天体物理学家可以预测双星相互靠近甚至发生碰撞的速率。阿尔伯特·爱因斯坦构建了广义相对论，这是双星系绕转运动的理论基础。除了广义相对论以外，也有适用于极端引力场的其它理论，物理学家的思维深入到了量子物理领域，宏观结构的引力规律失效了，以相对论为基础的引力理论在量子世界不再适用。

马克斯·普朗克射电天文学研究所位于德国的波恩，研究所的约翰·安东尼阿迪斯解释说，很多理论解释了在极端条件下的物质运动规律，极端物理学的一个关键点是实现在极端物理条件下的精确测量。科学家证明了爱因斯坦预测的引力作用适用于在极端物理条件下的测量结果。从双星系的绕转发出了引力波，中子星的引力能量被传播到太空，中子星损失了能量，导致了双星系轨道周期的逐渐减少，计算的结果显示，包含了中子星的双星系的轨道周期每年衰减百万分之八秒，《科学》发表了科学团队的计算结果。

麦吉尔大学位于加拿大的蒙特利尔，该大学的天文学家莱恩·林奇解释说，对高精确性脉冲星和白矮星质量的了解十分关键，在广义相对论和其它的引力理论中，质量是一个已知的物理量，天体质量被带进有关的数学方程式，可以根据计算结果预测双星轨道的衰减程度。除了理论上的计算公式以外，天文学家掌握了精确测量天体轨道周期的方法，脉冲星被天文学家看成是精确的时钟。综合考虑理论模型和中子星时钟的诸多因素，中子星J0432是一个理想的计时工具和用于计算的对象。

科学家将继续观测中子星J0432和它所在的双星系，以此获得有关中子星如何形成的更多信息，人们看到了中子星目前的状态，但其存在的时间估计长达20亿年。科学团队将会搜索更多处于极端条件的天体对象，用以检验爱因斯坦的广义相对论，他们设定了一个理想的观测目标，在浩瀚无边的太空找到一个特别的双星系，它由一颗中子星和一个黑洞组成。黑洞的密度一般远高于中子星，黑洞引力场远大于中子星引力场，自然物体中运动速度最快的光子也无法逃脱黑洞引力的吸引。关键是能够获得对黑洞特性进行检验的十分细节的数据，从中判断黑洞和伴星的属性是否适合爱因斯坦引力理论的预测。

中子星J0432的表面重力强度是地球表面重力强度的3000亿倍，1亿吨的物质在中子星的中心区域内被压缩成“一块方糖”的体积。在迄今为止几乎所有的天体检验中，广义相对论都被证明是正确的，有些经典的实例写进了教科书。科学家寻找宇宙中最为极端的天体环境，即使相对论物理的理论不再适用，他们也有了探测某种新物理学规律的机会。马克斯·普朗克研究所的保罗·弗莱雷博士解释说，中子星J0432有极端的密度，这是验证广义相对论的理想场所，“爱因斯坦对了”，广义相对论的理论预测与这次检验的结果十分吻合。

爱因斯坦在1915年构建了广义相对论，这是他的物理学生涯中的最伟大贡献，假如没有爱因斯坦，那么其他物理学家或早或晚地将会建立狭义相对论，但广义相对论是爱因斯坦构建的最独特的理论，成功地解释了天体质量对时空结构的影响，引力实际上是时空弯曲的表现。狭义相对论解释了光或电磁波的性质，广义相对论扩展了狭义相对论的应用范围。

马克斯·普朗克研究所的研究员安东尼阿迪斯和他的同事测定了中子星J0432和它的伴星——白矮星的轨道衰减周期，引力波的释放引起了能量的损失或“引力辐射”造成了双星系轨道的衰减，科学团队使用了广义相对论的理论工具，确定了轨道衰减的速率。在广义相对论发表之后的一百多年时间，天体物理学家使用了目前最好的检测仪器，初步探测到了引力波的信号，有些科学家认为引力波信号可能掩藏在量子噪音之中，躲避了先进探测器的检测。引力波的发现证实了爱因斯坦的预测，研发新一代的引力波探测器是科学家目前的重要使命之一。

（编译：2021-4-27）

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