科技日報記者 張夢然

一個多世紀以前，愛因斯坦提出廣義相對論，其後許多物理學家預測了廣義相對論可以導致的其他效應——參考系拖曳（FD）就是其中之一。這也是廣義相對論的一種「較強的」實驗驗證方法。

百年過去，廣義相對論不斷在宇宙大尺度上得到驗證，但參考系拖曳卻一直沒有被證實。然而，近日美國《科學》雜誌發表了一項由澳大利亞斯威本科技大學領導的團隊的研究，天文學家們經過20年的追蹤，從一對兒罕見的緻密恆星中首度證實了參考系拖曳效應。

相對論與參考系拖曳

對現代物理學影響最深遠的理論之一，廣義相對論，誕生於1916年。它描述了物質間引力相互作用，並首次把引力場解釋成時空的彎曲。

現在，理論和科學儀器的進步，導致與廣義相對論有關的更深遠研究都可以被證實。譬如2016年引力波的發現；2019年超大質量黑洞的第一張圖像發布。

但遺憾的是，參考系拖曳並沒得到驗證。

在廣義相對論理論發表3年後，兩位奧地利物理學家約瑟夫·倫斯和漢斯·特林意識到：按照愛因斯坦的推理，一個大質量天體，如地球，會讓周圍的時空扭曲，同時天體的重力會拖著時空一起旋轉。這種現象就是參考系拖曳，或稱為慣性系拖曳。

在日常生活中，這種影響微乎其微，幾乎無法察覺。但對於自轉的大質量天體來說，應該都會對周圍的時空產生拖曳效應。

這就好比將一根棒棒糖放進全是糖漿的碗裡，當我們保持住棒棒糖位置不動並快速轉動棍子（自轉），周圍的糖漿都會跟著攪動，這是因為被摩擦力帶動，而天體周圍，拖曳時空的是引力場。

太難觀測了

儘管目標是大質量天體，但參考系拖曳依然非常微弱。一個世紀過去，科學家仍然無法從宇宙中尋找到該效應的蛛絲馬跡。

從上世紀90年代到本世紀初，美國國家航空航天局（NASA）的科學家曾嘗試用極其靈敏的儀器，去檢測地球自轉產生的時空拖曳。為此，NASA先後啟動了雷射地球動力學衛星（LAGEOS）實驗以及耗資7.5億美元的引力探測B實驗，通過陀螺儀手段尋找該效應。最後，引力探測B實驗成功地再次驗證了廣義相對論的預言，而眾所期待的參考系拖曳效應的信號強度，則和當前的噪聲強度處於同一量級（這些噪聲主要來自一些尚未建立研究模型的物理效應），並沒有符合預測的量級。

其實在浩瀚星空中，我們的家園地球只是一個質量小、轉速慢的行星，它的參考系拖曳效應太微弱了些。鑒於此，天文學家開始將目標放得更寬——例如一些高速旋轉的大質量星體。

於是在1999年，澳大利亞天文學家通過帕克斯射電望遠鏡，鎖定了2000光年外的南十字星座的一對兒演繹「宇宙之舞」的雙星。

該系統名為PSR J1141-6545，由一顆白矮星和它的伴星脈衝星組成。其中，白矮星的質量為地球的30萬倍，脈衝星的質量則約為40萬倍，但脈衝星的直徑才20千米，僅僅與一座城市差不多！

百億億千米外的引力實驗室

宇宙中真的是有太多的天然引力實驗室了。一旦鎖定了目標，天文學家就展開了長期耐心地觀測。他們發現，這顆白矮星的自轉周期只有幾分鐘，高速旋轉的白矮星產生的坐標系拖曳效應，是地球的1億倍之多！

但這個效應還是不足以讓地球上的望遠鏡觀測到。幸好，這裡還有一顆繞白矮星運行的脈衝星。

脈衝星其實就是快速旋轉的中子星。我們看這顆脈衝星的體積和質量比有多麼不可思議，就知道它的密度有多可怕——約為地球密度的1000億倍。更重要的是，它每分鐘可以旋轉150次。

對於地球上的我們而言，它就像一個精準的時鐘、一個會發射信號的燈塔，通過記錄脈衝何時抵達望遠鏡，地球上的科學家就可以繪製出脈衝星圍繞白矮星運行的路徑，一旦信號間隔出現變化，就意味著脈衝星的運行軌道有所偏移。而這樣的偏移，恰好就是尋找參考系拖曳的最佳切入點。

終於，通過一遍遍測繪脈衝星軌道，團隊發現了微弱的偏移。但考慮到還可能有別的因素產生了類似影響，團隊又加入了數據處理，從信號中篩去其他因素的干擾，辨別出了軌道平面方向長期性、逐漸性的變化，這已經是其他效應無法解釋的了。

計算機模擬隨後證實，這對雙星的誕生過程符合推測。這項耗時20年的研究，終於為一個困擾了物理學一百年的猜想，提供了最精準的天文學驗證。

團隊成員表示，這一發現，讓他們所有深夜和清晨的付出，都變成「值得」。

圖：天文學家利用帕克斯射電望遠鏡觀測到參考系拖曳。 圖源：美國科學促進會網站(EurekAlert)