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破记录双星系统验证通过爱因斯坦相对论的正确性

　　天文学家利用欧南天文台（ESO）超大望远镜（Very Large Telescope，VLT）、威廉
赫歇尔望远镜（William Herschel Telescope）及Effelsberg、Arecibo和Green Bank等
电波望远镜发现一对双星系统，由一颗中子星和一颗白矮星所组成，其中的中子星质量打
破记录，成为迄今已知质量最大的中子星。这些天文学家藉由观测资料测试爱因斯坦广义
相对论的正确性，发现基本上都符合相对论的预测，但与其他几个理论抵触，因此可以剔
除这些不符的理论了。相关论文发表在2013年4月26日出版的科学期刊（Science）。

　　中子星是超新星爆炸的残骸，这对双星中的中子星编号为PSR J0348+0432，每秒可自
转25圈，与白矮星伴星互绕周期约为2.5小时，地球上可观测到这颗中子星发出的规律辐
射，因此这颗中子星是一颗所谓的波霎（pulsar）。电波望远镜所观测到的这对双星电波
讯号基本上都来自这颗波霎。经估算，这颗中子星的质量约为2倍太阳质量，直径则仅约
20公里，这使得PSR J0348+0432的表面重力强达地球表面的3000亿倍以上，且中子星的核
心密度高达每立方公分10公吨以上（比较：水的密度为每立方公分1公克，太阳核心密度
约每立方公分150~160公克）。

　　至於双星中的白矮星没这颗PSR J0348+0432这麽极端，它是由质量比较小的恒星演化
到生命末期，遗失原本的大气层後的恒星残骸，由於失去核融合提供能量，因此会随时间
逐渐冷却。德国波昂普朗克电波研究所（Max Planck Institute for Radio Astronomy，
MPIfR）John Antoniadis原本是透过VLT研究白矮星发出的辐射被波霎影响而产生的变化。
结果初步分析时意外发现这颗波霎居然高达2倍太阳质量，是目前为止已知质量最大的中
子星，是测试基本物理的最佳实验室。

　　爱因斯坦百年前提出的广义相对论中，以质量和能量产生的时空曲率来解释重力现象
，从发表到今日已经过无数挑战与测试，但如果没办法坚持到最後，这个理论也还是会被
打破。物理学家发展出不同的重力理论，所得预测结果与相对论不同。在某些有你无我的
极度矛盾中，这些差异只会在极强的重力场中才能见真章□在极强的重力场中，质量只需
增加一点点，其时空曲率的改变就会很大；然而，太阳系内完全无法提供有这种条件的环
境，让物理学家们因为无法验证而心□难耐。大质量中子星PSR J0348+0432的发现，无疑
提供了物理学家一个独特的机会进行这项残酷的测试。

　　Antoniadis等人将VLT的白矮星观测资料，和其他电波望远镜进行的PSR J0348+0432
波霎精确计时资料予以综合。这类密近双星会辐射重力波後流失能量，导致轨道周期缓慢
改变。广义相对论和其他重力理论对於这个轨道周期改变的预测结果不同。Antoniadis等
人分析资料後发现：由於电波讯号非常精确，他们估算轨道周期改变量约为每年800万分
之一秒，与广义相对论预测的相符，因此他们给出结论：广义相对论是正确的。这与利用
第一个双星波霎PSR B1913+16进行测量的Joseph Hooton Taylor, Jr.和Russell Hulse所
得结论相同，而Taylor两人更因这项研究获得1993年的诺贝尔物理奖。

　　到目前为止，还没有其他重力理论能扳倒广义相对论。不过可别以为物理学家们会就
此放弃挑战爱因斯坦，Antoniadis等人打算继续监测这对双星，以便能更精密的测量轨道
周期变化，看看爱因斯坦是否继续保持他不败的地位。