通过帕克斯射电望远镜，天文学家首次观测到坐标系拖曳现象。（图片来源：Mark Myers ARC Centre of Excellence for Gravitational Wave Discovery ）
100多年前，在爱因斯坦提出广义相对论后，不少天文学家提出了通过天文观测验证广义相对论的猜想，坐标系拖曳效应就是其中之一。如今，广义相对论早已得到验证，但微弱的坐标系拖曳效应始终没有得到观测证实。终于，在一项发表于《科学》杂志的研究中，澳大利亚斯威本科技大学领导的研究团队从一个罕见的双星系统中，首次证实了该效应。
撰文 | 吴非
1916年，爱因斯坦发表了对现代物理学影响深远的广义相对论。但在广义相对论诞生之初，很多物理学家对此持怀疑态度——毕竟，如此具有颠覆性的理论，只有通过了观测验证，才能真正被广大学者接受。
广为人知的是，100年前，英国科学家爱丁顿用著名的日全食实验首次验证了广义相对论。但除此之外，还有不少物理学家预测了广义相对论可以导致的其他效应。坐标系拖曳，就是其中之一。
1918年，两位奥地利物理学家Josef Lense和Hans Thirring意识到，如果广义相对论成立，那么任何天体在自转时，都会对周围的时空产生拖曳效应，这种现象被称作坐标系拖曳（Frame-dragging）或惯性系拖曳。
下面这个例子，可以帮助我们理解上述现象。我们向一只碗里倒入粘稠的糖浆，然后把一根球形的棒棒糖按进去。这时我们快速转动棒棒糖的棍子，会看到什么现象？棒棒糖周围的糖浆开始跟着旋转。同样，任何做着自转的天体，其周围的时空也会跟着偏移。只不过，糖浆是被摩擦力拖动，而拖曳时空的则是引力场。
虽然理论上说得通，但要真正观测到这个现象，却异常困难。坐标系拖曳效应太微弱了。几乎整个20世纪，人们从宇宙中寻找该效应的努力始终没有成果。
20世纪90年代到本世纪初，科学家试图用足够灵敏的仪器检测地球自转产生的时空拖曳。为此，NASA先后启动了LAGEOS卫星实验和引力探测B实验，通过陀螺仪等灵敏的手段寻找这一效应。这两项实验，尤其是引力探测B实验有所收获，检测到了与广义相对论预言一致的结果。但这些实验的误差控制，始终没有达到预期。
由于质量小、转速慢的地球的坐标系拖曳效应太过微弱，天文学家将视线投向更遥远的宇宙，希望在高速旋转的大质量天体中观测到该效应。
1999年，澳大利亚天文学家通过帕克斯射电望远镜，发现两千光年外的南十字星座中存在一个特殊的双星系统。这个名为PSR J1141-6545的双星系统，由一颗白矮星和它的伴星脉冲星组成。其中，中子星直径只有20千米，质量却超过了整个太阳系。而白矮星质量略小于这颗中子星，体积与地球相当。
白矮星与围绕其运转的脉冲星组成的双星系统。（图片来源：Mark Myers ARC Centre of Excellence for Gravitational Wave Discovery）
对于天文学家来说，这个双星系统为观测坐标系拖曳效应提供了绝佳场所。
一方面，这颗白矮星的自转周期只有几分钟，高速旋转的白矮星产生的坐标系拖曳效应，是地球的1亿倍之多。
当然，仅仅产生这个效应，并不足以让地球上的望远镜观测到。这时，绕白矮星运行的脉冲星成了关键。脉冲星是快速旋转的中子星，如同海面上的灯塔，其磁极在自转的同时不断发出射电束。对于地球上的观测者而言，这一一束信号如同精准的时钟，忠实记录着脉冲星的运动轨迹。如果信号间的时间间隔出现变化，则意味着脉冲星的运行轨道出现了偏移。而这样的偏移，恰好成为寻找坐标系拖曳效应的窗口。
另一个不容或缺的因素，是PSR J1141-6545极为罕见的诞生过程。白矮星与中子星组成的双星系统很常见，但这样的系统中，中子星往往率先形成。而白矮星更“年长”的双星系统，算上PSR J1141-6545，目前得以确认的一共只有两个。
在这样的系统中，一颗恒星率先死亡，形成白矮星。白矮星获取伴星的气态物质，旋转加速；随后，其伴星通过超新星爆发形成脉冲星。
这一点之所以重要，是因为与普通的双星系统相比，PSR J1141-6545可以保留脉冲星典型的磁场特征，帮助天文学家分辨出其轨道信息。
这个汇聚了一切有利条件的系统，自然成为研究团队关注的焦点。自2000年起，澳大利亚的帕克斯望远镜和UTMOST射电望远镜开始对其进行持续观测，希望找到轨道参数长期变化的证据。
2015年，他们终于观测到了轨道微弱的偏移。但这还不够——除了这个效应，其他因素也可能产生影响，例如自转本身会将中子星压缩得更“扁”，从而改变其引力场。因此，研究团队通过数据处理，从信号中筛去其他因素的干扰，找到了轨道平面方向长期、逐步的变化——只有这样的信号，才是其他效应无法解释的。
下一个问题是，这个罕见的双星诞生过程是否成立？计算机模拟证实了这种可能性。这些天文学家找到了丹麦奥胡斯大学的Thomas Tauris，通过模拟验证了这个过程。研究发现，在对两颗恒星最初的质量及轨道进行严格限制后，类似于PSR J1141-6545的系统完全有可能出现。
在近期发表于《科学》杂志的论文中，研究团队报道了这一发现。
这项研究终于为延续一百年的猜想，提供了精确的天文学观测验证，也再一次证实了广义相对论。除此之外，坐标系拖曳效应的发现，对于现代天文学还有着其他意义。
作为宇宙中最致密的物质，中子星内的成分始终没有确切的答案。这项研究的第一作者Venkatraman Krishnan表示，在两颗脉冲星构成的双星系统中，应该也能观测到该效应。这样的观测，可以帮助科学家确认这些脉冲星的准确体积，从而揭示其神秘的内部组成。
原始论文：
https://science./cgi/doi/10.1126/science.aax7007
参考链接：
https://www./pub_releases/2020-01/tarc-awt012820.php
https://www./article/bizarre-cosmic-dance-offers-fresh-test-for-general-relativity/
