破記錄雙星系統　驗證通過愛因斯坦相對論正確性

2013/5/7   (6530)   原稿來源: http://www.ettoday.net/news/20

天文學家利用多個電波望遠鏡發現一對雙星系統，由一顆中子星和一顆白矮星所組成，其中的中子星質量打破記錄，成為迄今已知質量最大的中子星。這些天文學家藉由觀測資料測試愛因斯坦廣義相對論的正確性，發現基本上都符合相對論的預測，但與其他幾個理論抵觸，因此可以剔除這些不符的理論了。相關論文發表在2013年4月26日出版的科學期刊(Science)。

中子星是超新星爆炸的殘骸，這對雙星中的中子星編號為PSR J0348+0432，每秒可自轉25圈，與白矮星伴星互繞週期約為2.5小時，地球上可觀測到這顆中子星發出的規律輻射，因此這顆中子星是一顆所謂的波霎(pulsar)。電波望遠鏡所觀測到的這對雙星電波訊號基本上都來自這顆波霎。

經估算，這顆中子星的質量約為2倍太陽質量，直徑則僅約20公里，這使得PSR J0348+0432的表面重力強達地球表面的3000億倍以上，且中子星的核心密度高達每立方公分10公噸以上，相較於水的密度為每立方公分1公克，太陽核心密度約每立方公分150~160公克。

至於雙星中的白矮星沒這顆PSR J0348+0432這麼極端，它是由質量比較小的恆星演化到生命末期，遺失原本的大氣層後的恆星殘骸，由於失去核融合提供能量，因此會隨時間逐漸冷卻。

德國波昂普朗克電波研究所(MPIfR)安東尼阿迪斯(John Antoniadis)原本是透過歐南天文台超大望遠鏡(VLT)研究白矮星發出的輻射被波霎影響而產生的變化。結果初步分析時意外發現這顆波霎居然高達2倍太陽質量，是目前為止已知質量最大的中子星，是測試基本物理的最佳實驗室。

愛因斯坦百年前提出的廣義相對論中，以質量和能量產生的時空曲率來解釋重力現象，從發表到今日已經過無數挑戰與測試，但如果沒辦法堅持到最後，這個理論也還是會被打破。物理學家發展出不同的重力理論，所得預測結果與相對論不同。

在某些有你無我的極度矛盾中，這些差異只會在極強的重力場中才能見真章—在極強的重力場中，質量只需增加一點點，其時空曲率的改變就會很大；然而，太陽系內完全無法提供有這種條件的環境，讓物理學家們因為無法驗證而心癢難耐。大質量中子星PSR J0348+0432的發現，無疑提供了物理學家一個獨特的機會進行這項殘酷的測試。

安東尼阿迪斯等人將VLT的白矮星觀測資料，和其他電波望遠鏡進行的PSR J0348+0432波霎精確計時資料予以綜合。這類密近雙星會輻射重力波後流失能量，導致軌道週期緩慢改變。廣義相對論和其他重力理論對於這個軌道週期改變的預測結果不同。

這些天文學家分析資料後發現，由於電波訊號非常精確，他們估算軌道週期改變量約為每年800萬分之一秒，與廣義相對論預測的相符，因此他們給出結論，廣義相對論是正確的。這與利用第一個雙星波霎PSR B1913+16進行測量的Joseph Hooton Taylor, Jr.和Russell Hulse所得結論相同，而Taylor兩人更因這項研究獲得1993年的諾貝爾物理獎。

到目前為止，還沒有其他重力理論能扳倒廣義相對論。不過可別以為物理學家們會就此放棄挑戰愛因斯坦，安東尼阿迪斯等人打算繼續監測這對雙星，以便能更精密的測量軌道週期變化，看看愛因斯坦是否繼續保持他不敗的地位。