爱因斯坦又说对了！密度惊人的中子星也能“轻若鸿毛”

爱因斯坦对引力的理解，正如他的广义相对论所概述的那样，预示着所有的物体都以同样的速度下落，无论它们的质量或成分如何。

这个理论在地球上经受了一次又一次的考验，但对于已知的宇宙中一些最庞大、密度最大的物体来说，这个理论仍然成立吗?

一个国际天文学家小组对这个挥之不去的问题进行了有史以来最严格的测试。

他们的发现发表在《自然》杂志上，表明爱因斯坦对重力的洞见仍然有影响力，即使是在宇宙所能提供的最极端的情况下。

除去所有的空气，一把锤子和一根羽毛将以同样的速度落下——这是伽利略在15世纪晚期探索的概念，也是阿波罗15号宇航员大卫·斯科特在月球上著名的例证。

虽然是牛顿物理学的基石，但爱因斯坦的引力理论解释了为什么会这样。

迄今为止，爱因斯坦的方程已经通过了所有的测试，从细致的实验室研究到对太阳系中的行星的观测。

但是，爱因斯坦广义相对论的替代理论预测，像中子星一样，具有超强引力的致密物体与质量较低的物体的下落略有不同。

这些不同的理论预测，这种差异可能是由于致密物体的所谓的引力结合能，即将其结合在一起的引力能。

2011年，美国国家科学基金会(National Science Foundation)的绿岸(Green Bank)望远镜(GBT)发现了一个自然的实验室，可以在极端条件下验证这一理论:一个名为PSR J0337+1715的三重恒星系统，距离地球约4200光年。

这一系统包含了一颗中子星，在1.6天的轨道上有一颗白矮星，而这一对在一个327天的轨道上与另一颗白矮星相距更远。

“这是一个独特的恒星系统，”绿岸天文台的Ryan Lynch说，他也是这篇论文的合著者。

“我们不知道还有什么比这更像的了。这使它成为一个独一无二的实验室，用来检验爱因斯坦的理论。”

自发现以来，GBT、荷兰的Westerbork合成射电望远镜和波多黎各的NSF的Arecibo天文台定期观测到这一三重系统。

GBT已经花了400多个小时观察这个系统，获取数据并计算每个物体之间的运动。

这些望远镜是如何研究这个系统的?

这个特殊的中子星实际上是脉冲星。许多脉冲星的旋转强度堪比地球上最精确的原子钟。

林奇说:“作为世界上最灵敏的射电望远镜之一，GBT已经准备好接收这些微弱的无线电波脉冲来研究极端物理学。”

这个系统中的中子星每秒脉冲(旋转)366次。

“自从我们开始观测以来，我们可以解释中子星的每一个脉冲，”阿姆斯特丹大学(University of Amsterdam)和荷兰无线电天文研究所(Netherlands Institute for Radio天文学)的安妮·阿奇博尔德(Anne Archibald)和该论文的主要作者说。

“我们可以在几百米之内知道它的位置。这是一个关于中子星的精确轨迹，关于它在哪，要去哪里。"

如果替代爱因斯坦的引力图像的方法是正确的，那么中子星和内白矮星会以不同的方式向外白矮星靠近。

弗吉尼亚州国家射电天文台的天文学家斯科特·兰森(Scott Ransom)说，他是这篇论文的作者之一。

通过细致的观察和细致的计算，这个团队能够仅使用中子星的脉冲来测试系统的重力。

他们发现，中子星和内白矮星之间的加速度差异太小，无法探测到。

阿姆斯特丹大学的Nina Gusinskaia合著者说:“如果存在差异，那也不过是百万分之三。”

这对任何替代广义相对论的理论都造成了严重的限制。这个结果比先前最好的重力测试精确了十倍，使爱因斯坦的强等效原理的证据更加有力。

“我们总是在新的地方寻找更好的测量方法，所以我们对宇宙新边界的探索将继续下去，”兰森总结道。

国家射电天文观测台是美国国家科学基金的一个设施，由联合大学公司合作经营。

绿岸天文台是美国国家科学基金会旗下的一项设施，该基金会是由相关的大学合作签订的。