在比萨斜塔上扔下一颗弹珠和一颗炮弹，会同时击中地面。这一事实可以用阿尔伯特·爱因斯坦的引力理论来解释——广义相对论——它预测所有的物体都以同样的方式下落，无论它们的质量或成分如何。即使是地球和月球，在它们互相环绕的过程中，也会以同样的方式朝着太阳“坠落”。爱因斯坦的理论在实验室和太阳系的其他地方都通过了所有测试。但是科学家们知道量子力学的行为是不同的，所以爱因斯坦的理论必须有所突破，这一原理是否也适用于极重的物体？
脉冲星和内部白矮星在外部白矮星的引力作用下下落(红色)。在大多数引力理论中，脉冲星的强大引力意味着它会以不同于内部白矮星的加速度下落。但是爱因斯坦的理论预测，它们应该完全相同。图片：Neil Blevins
答案是肯定的，根据一个国际天文学家团队，包括来自威斯康辛大学密尔沃基分校。在距离地球4200光年的一个自然“实验室”里，他们在三颗恒星的帮助下测试了这个问题。由阿姆斯特丹大学和荷兰射电天文学研究所(ASTRON)研究人员领导的研究小组发现发表在《自然》上。
三星系统
实验对象是一名为PSR J0337+1715的三星系统，由一颗中子星与一颗白矮星在1.6天的轨道上运行。这一对在327天的轨道上与另一颗白矮星一起运行。白矮星大约有一颗行星那么大，它耗尽了核燃料，只剩下炽热的核心。虽然白矮星很小而且密度很大，但没中子星的密度大，中子星是一颗被烧毁的恒星爆炸后留下的。引力把巨大的残骸压成一个城市的大小核。当中子星快速旋转并具有强磁场时，它就变成了脉冲星。
三星系统PSR J0337+1715的概念图，它位于离地球4200光年的地方。这个系统提供了一个自然实验室来测试引力的基本理论。图片：NRAO/AUI/NSF; S. Dagnello
脉冲星每次旋转都会发射无线电波、x射线甚至光。研究人员仅仅通过追踪中子星——脉冲星——来进行测量。该论文的第一作者安妮·阿奇博尔德(Anne Archibald)说：它以每秒366次的速度旋转，无线电波的波束也随之旋转。它们以一定的间隔扫过地球，就像宇宙中的灯塔，用这些无线电脉冲来追踪中子星的位置。
白矮星引力
威斯康星大学密尔沃基分校的物理学副教授、论文的合著者大卫·卡普兰(David Kaplan)说：当脉冲星运动时，就会有某种东西引起它。如果爱因斯坦是对的，那一定是白矮星的引力使脉冲星运动。这组天文学家使用荷兰的韦斯特伯克合成射电望远镜、西弗吉尼亚州的格林班克望远镜和波多黎各的阿雷西博天文台跟踪这颗中子星达六年之久。如果中子星与白矮星的落差不同，那么脉冲到达的时间就会不同于预期。但据研究人员所知，这并没有发生。
阿奇博尔德和她的同事们发现，中子星和白矮星之间的任何加速度差异都太小，无法探测到。卡普兰说，这个系统为研究人员提供了一个机会，让他们能够更敏感地测试引力的性质。卡普兰是2012年首次发表这一系统的研究人员之一。我们在这个系统上的表现比之前的测试要好10倍。但这并不是铁板一块的答案。将引力与量子力学结合起来仍未解决。
不能忽略相对论
卡普兰说：更精确地描述引力也有其他原因。如果忽视了广义相对论，但却试图在手机上使用GPS，最终会远离目的地，但我们也在试图理解宇宙在这里是如何运作的，仍然不明白恒星是如何运动的。阿斯特隆和阿姆斯特丹大学的副教授杰森·赫塞尔斯说：射电望远镜的发展为找到完美的三星系统提供了更多的机会。
荷兰的韦斯特伯克综合射电望远镜是三架用来研究三星系统的望远镜之一，另外还有西弗吉尼亚州的格林班克望远镜和波多黎各的阿雷西博天文台。图片：ASTRON
如果按照计划在澳大利亚和南非建造平方公里阵列，它将是世界上最大的射电望远镜，能够发现更多的毫秒脉冲星，就像现在我们的银河系所知道的那样。在这些尚未被发现的系统中，可能潜藏着更强大的工具来理解宇宙，也许这其中之一能让我们首次窥见爱因斯坦的理论。
博科园-科学科普｜参考期刊：Nature｜来自：威斯康星大学密尔沃基分校
发表于 2018-7-7 06:52
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