天体物理学家证实了爱因斯坦相对论的基石

科学家的一次国际合作记录了爱因斯坦广义相对论的基石之一“自由落体的普遍性”,这是迄今为止最准确的确认。

这项新研究表明,该理论适用于中子星等强烈自重的物体。使用射电望远镜,科学家可以非常精确地观察脉冲星(一种中子星)产生的信号,并测试爱因斯坦引力理论对这些极端物体的有效性。特别是,研究小组分析了位于法国索隆市中心的Nançay大型射电望远镜记录的名为“ PSR J0337 + 1715”脉冲星的信号。

自由落体原理的普遍性指出,两个落在引力场中的物体不受其组成的影响而受到相同的加速度。伽利略首次证明了这一点,他著名地将不同质量的物体从比萨斜塔的顶部掉落,以验证它们是否同时到达地面。

这个原理也是爱因斯坦广义相对论的核心。但是,一些暗示,例如量子力学与广义相对论之间的不一致,或者宇宙组成中暗物质和暗能量占主导地位的难题,使许多物理学家认为,毕竟广义相对论可能并非如此,引力的终极理论。

脉冲星J0337 + 1715是一颗中子星,它是一颗恒星,其质量是太阳的质量的1.44倍,后者坍塌成直径仅为25 km的球体,显示它绕着两个白矮星运行,它们的弱得多重力场。这项发现今天发表在《天文学与天体物理学》杂志上,证明了自由落体原理的普遍性是正确的。

负责这项研究的曼彻斯特大学的Guillaume Voisin博士说:“脉冲星发出一束无线电波,它扫过整个空间。每转一圈都会产生一道无线电波,并由Nançay的射电望远镜高精度记录。随着脉冲星在其轨道上的移动,到达地球的光的时间发生了变化,正是这些到达时间的精确测量和数学建模(精确到纳秒级)使科学家能够以极高的精度推断出恒星的运动。 。

“最重要的是,该系统的独特配置类似于地球-月亮-太阳系统,并存在第二个伴星(起着太阳的作用),另外两个恒星也向该伴星“坠落”(轨道)允许在比萨斜塔上执行伽利略著名实验的恒星版本。两个组成不同的物体在第三个重力场中以相同的加速度坠落。”

“脉冲星发出一束无线电波,它扫过整个空间。每转一圈都会产生一束无线电闪光,由Nançay的射电望远镜高精度记录。随着脉冲星在其轨道上移动,到达地球的时间为正是这些到达时间的精确测量和数学建模(精确到纳秒级精度)使科学家能够以极高的精度推断出恒星的运动。” Guillaume Voisin博士说。

由曼彻斯特大学,巴黎天文台,PSL,法国CNRS和LPC2E(法国奥尔良)以及马克斯·普朗克射电天文研究所的合作团队记录了这些测量值。脉冲星围绕两颗白矮星运行,其中一颗仅在1.6天之内就围绕脉冲星运行,其距离脉冲星的距离约为水星与太阳之间距离的10倍。这个双星系统有点像太阳系中的地球和月球,它绕着第三颗恒星运行,这是一颗占太阳质量40%的白矮星,其位置比将地球-月亮系统与太阳分开的距离略远。

在太阳系中,如自由落体的普遍性所预言的那样,月球激光测距实验已允许验证月球和地球都受到太阳重力场的相同影响(轨道运动是自由落体的形式)。 )。但是,众所周知,仅对于强自引力的物体(例如中子星),可能会发生一些与普遍性的偏差,即由于著名的爱因斯坦关系E = mc2,其质量明显由其自身的引力组成的物体。该小组进行的新的脉冲星实验填补了太阳系测试遗留下的空白,在太阳系测试中,没有物体会强烈自重,甚至没有太阳。

研究小组证明,与广义相对论的预测相比,脉冲星的极端引力场相差不超过百万分之1.8(置信度为95%)。这个结果是最准确的确认,即使存在质量主要取决于其自身重力场的物体,自由落体的普遍性也是有效的,从而进一步支持了爱因斯坦的广义相对论。

Voisin等人的论文“三星系统中脉冲星的强等价原理的改进测试”发表在天文学和天体物理学中。