愛因斯坦又對了!強等效原理在緻密中子星上也適用 阿姆斯特丹大學(University of Amsterdam)暨荷蘭電波天文研究所(Netherlands Institute for Radio Astronomy)Anne Archibald等人利用靈敏的美國國家科學基金會(NSF)綠灣電波望遠鏡(Green Bank Telescope,GBT)精密監測一組由2顆白矮星和1顆極緻密中子星組成的三星系統的運動狀態,結果發現即便是緻密中子星,其運動方式與密度比中子星小一點的白矮星沒啥區別,符合愛因斯坦廣義相對論裡有關重力的「強等效原理(Strong Equivalence Principle)」的預測。這是到目前為止,類似的檢測實驗中最嚴格的一次。

愛因斯坦又對了!強等效原理在緻密中子星上也適用

廣義相對論中預測:無論質量大小或組成成分為何,所有物體「落下」的加速度都相同。在地表和月表上的實驗結果,甚至太陽系天體的運動,都符合這個理論的預測。例如大家熟知的「自由落體」實驗:在沒有大氣阻力的真空管中同時釋放石頭和羽毛,兩者最後會同時落地。然而,在宇宙某些極端的重力環境中,例如質量最大、最緻密的天體上,這個預測是否仍是正確?

有些理論認為:在像中子星這樣的極強重力場環境中,這個「落下的加速度」會與質量稍小、重力稍弱的環境有少許差異。而這個少許差異的來源,就是緻密天體之間的重力束縛能(gravitational binding energy),也就是讓天體之間束縛在一起、不致散開的重力能。

在2011年時,天文學家利用綠灣望遠鏡發現一個能測試這個理論在極端環境下是否仍正確的天然實驗室—PSR J0337+1715,距離約4200光年,這是個相當獨特的三合星系統,一顆中子星與一顆白矮星以1.6天周期互繞,它們又與另一顆比較遠的白矮星以327天的周期互繞;這種互繞運動,也可視為是相互「落下」的動作。到目前為止,天文學家們還未發現其他類似狀況的恆星系統,因此自發現後,這些天文學家便經常性地利用綠灣望遠鏡、荷蘭的威斯特博克合成電波望遠鏡(Westerbork Synthesis Radio Telescope)、NSF在波多黎各的阿雷西波天文台(Arecibo Observatory)等設備監測PSR J0337+1715系統裡各星的相對運動,其中光GBT的累積觀測時間就長達400多小時。

PSR J0337+1715裡的這顆中子星其實是顆所謂的「波霎(pulsar)」或稱為「脈衝星」,因其穩定而快速的自轉,使得其發出的輻射掃過地球的頻率如同最精密的原子鐘般精確,而其「脈衝」的頻率高達每秒366次,換言之,這顆中子星一秒內就自轉了366次。

由於綠灣電波望遠鏡相當靈敏,可以精確測定每一次脈衝的時間點。所以,如果真的會因重力場強弱而使等效原理有些微差異的理論預測正確的話,那麼中子星與其相伴的白矮星向第三顆白矮星落下的加速度就會不同。Archibald等人最終的偵測分析結果,卻顯示這樣的差異低於百萬分之3,小到測不出來。由於這個觀測比先前其他類似測試還精確10倍左右,因此Archibald等人由此傾向認為強等效原理是正確的,又一個證據證明愛因斯坦是對的!

資料來源:NRAO, 2018.07.04

本文授權轉載自網路天文館

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