天体物理学家在三星系统中使用脉冲星证实了爱因斯坦相对论的基石

艺术家对脉冲星及其最接近的白矮星伴星及其轨道和背景中的第二个伴星的看法。该系统未按比例缩放。

科学家的一次国际合作记录了迄今为止最精确的证实，它是爱因斯坦广义相对论的基石之一，即“自由落体的普遍性”。

这项新研究表明，该理论适用于强烈引力的物体，例如中子星。使用射电望远镜，科学家可以非常精确地观察脉冲星（一种中子星）产生的信号，并测试爱因斯坦引力理论对这些极端物体的有效性。特别是，研究小组分析了位于法国索隆中心地带的Nançay大型射电望远镜记录的名为“ PSR J0337 + 1715”脉冲星的信号。

自由落体原理的普遍性表明，两个落在万有引力场中的物体都经历了完全相同的加速度，而与它们的组成无关。伽利略首次证明了这一点，他著名地将不同质量的物体从比萨斜塔的顶部放下，以验证它们是否同时到达地面。

这个原理也是爱因斯坦广义相对论的核心。但是，一些暗示，例如量子力学与广义相对论之间的不一致，或者宇宙组成中暗物质和暗能量占主导地位的难题，使许多物理学家认为，毕竟广义相对论可能并非如此，引力的终极理论。

脉冲星J0337 + 1715是一颗中子星，它是一颗恒星核心，质量是太阳质量的1.44倍，已坍缩成直径仅25 km的球体，这表明它绕着两颗白矮星运行，而这些白矮星的质量要弱得多重力场。这项发现于2020年6月10日发表在天文学与天体物理学杂志上，证明了自由落体原理的普遍性是正确的。

来自曼彻斯特大学的Guillaume Voisin博士领导了这项研究：“脉冲星发出一束无线电波，横扫太空。每转一圈都会产生一束无线电闪光，由Nançay的射电望远镜以高准确度记录下来。随着脉冲星在其轨道上的移动，到达地球的光到达时间发生了变化。正是这些到达时间的精确测量和数学建模（低至十亿分之一秒的精确度）使科学家能够以极高的精度推断出恒星的运动。

“最重要的是，它是该系统的独特配置，类似于地球-月亮-太阳系统，并存在第二个伴星（起着太阳的作用），另外两个恒星也向该伴星“坠落”（轨道）已允许从比萨斜塔执行伽利略著名实验的恒星版本。在第三者的引力场中，具有不同成分的两个物体以相同的加速度下落。

“脉冲星发出一束无线电波，横扫太空。每转一圈都会产生一束无线电闪光，由Nançay的射电望远镜以高准确度记录下来。随着脉冲星在其轨道上的移动，到达地球的光到达时间发生了变化。正是这些到达时间的精确测量和数学建模（低至纳秒精度）才使科学家能够以极高的精度推断出恒星的运动。”— Guillaume Voisin博士

测量结果由曼彻斯特大学，巴黎天文台– PSL，法国CNRS和LPC2E（法国奥尔良）以及马克斯·普朗克射电天文研究所的合作团队记录。脉冲星围绕两颗白矮星运行，其中一颗仅在1.6天之内就围绕脉冲星运行，其距离脉冲星的距离约为水星与太阳之间距离的10倍。这个双星系统有点像太阳系中的地球和月球，它绕着第三颗恒星运行，这是一颗占太阳质量40％的白矮星，其位置比将地球-月亮系统与太阳分开的距离略远。

在太阳系中，如自由落体的普遍性所预言的那样，月球激光测距实验允许验证月球和地球都受到太阳重力场的相同影响（轨道运动是自由落体的形式）。 ）。但是，众所周知，普遍性只有在强引力的物体（例如中子星）上才会发生，这是由于著名的爱因斯坦关系E = mc2而使它们的质量极大地由其自身的引力引起的。该小组进行的新的脉冲星实验填补了太阳系测试留下的空白，在该测试中，没有物体会强烈自重，甚至没有太阳。

研究小组证明，与广义相对论的预测相比，脉冲星的极端引力场相差不超过百万分之1.8（置信度为95％）。这个结果是最准确的确认，即使存在质量很大程度上取决于其自身重力场的物体，自由落体的普遍性也是有效的，从而进一步支持了爱因斯坦的广义相对论。

参考：G. Voisin，I。Cognard，PCC Freire，N.Wex，L.Guillemot，G.Desvignes，M.Kramer和G.Theureau在6月10日对三星系统中的脉冲星进行了强等价原理的改进测试。 2020年，天文学与天体物理学。DOI：
10.1051/0004-6361/202038104