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发现爱因斯坦广义相对论的证据

2020-09-03 13:06 主页 来源:未知
发现爱因斯坦广义相对论的证据



在NGC 2440 行星状星云中发现的白矮星有可能是目前为止发现的温度最高的一颗白矮星。科学家通过研究白矮星中特殊的现象,进一步验证了爱因斯坦的广义相对论。
 
这项研究提出,跟别的天体不同,白矮星的大小随着质量的增加而减小。而即便天文学家对白矮星的质量和半径之间的关系有了很长时间的理论研究,但直到现在,我们还不能得出它们质量和半径的关系,。
在这项新的研究工作中,研究人员结合数千个白矮星数据,使用一种新的方法对这种奇怪的现象进行探索,并为广义相对论提供了的证据。
 
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当类似太阳的恒星燃料耗尽,便会脱落外层,只留下地球大小的内核。这个内核就是白矮星,也被认为是恒星演化阶段的最终产物。
而这种恒星残留物有一个奇特的现象,它们的体积随着质量的增加而减小——最终,质量与太阳相当的白矮星体积只有地球一般大小。
白矮星最终会坍缩为体积小而密度大的中子星,成为一个半径不超过18英里(30km)的高密度的恒星残骸。
 
从20世纪30年代开始,科学家便开始对白矮星特殊的质量-体积关系的进行理论研究。通常认为,这种现象跟白矮星中的电子态有关——当一个白矮星压缩时,它的电子数量会增加。
这种解释机制结合了量子力学和爱因斯坦广义相对论,其中量子力学是亚原子粒子运动和相互作用的理论基础,而广义相对论解释了引力作用。
 
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约翰·霍普金斯大学物理与天文学系副教授纳迪亚·扎卡姆斯卡(Nadia Zakamska)监督了这项新的研究,他说:“这种质量-体积关系是量子力学与广义相对论美妙的结合,但对我们来说,这是违反直觉的;因为通常来说,我们认为如果一个物体的质量越大,它的体积也会越大。”
在这项新的研究中,约翰·霍普金斯大学的团队创造了一种新的方法,利用斯隆数字天空调查和盖亚太空天文台收集的数据,对3000颗白矮星进行了质量-体积关系的研究。
 
研究团队测量了引力红移效应,该效应是指引力对恒星光的影响。当光离物体远去时,它的波长会延长,从而使其光谱的谱线看起来向红端移动。通过观察引力红移效应,他们可以确定半径相近的白矮星的径向速度。
径向速度是给定恒星在太阳至该恒星方向上的运动速度,它可以确定该恒星是朝向还是远离太阳运动。通过确定恒星的径向速度,他们还可以确定它们的质量变化。
 
“该理论已经存在了很长时间,但值得注意的是我们使用的数据具有空前的大小和准确性。”Zakamska补充说,“一些在几年前开发的测量方法突然变得好用起来,现在我们终于可以探索这些旧理论了。”
研究中使用的方法本质上将理论变成了可观察的现象。此外,它还可以用于未来有关恒星的更多研究,并帮助天文学家分析白矮星的化学成分。
“由于恒星变重的同时也在变小,引力红移效应也随着质量增长。”Zakamaska说,“这比较容易理解——与质量大更紧凑的物体相比,从密度小体积大的物体中挣脱更加轻松。这也是我们从数据中观察到的现象。”
该研究已被《天体物理学杂志》接受以发表,并已在预发表服务器arXiv.org在线发布。
 
相关知识
广义相对论是阿尔伯特·爱因斯坦在1907年至1915年之间发表的引力理论。根据广义相对论,在物体间观察到的引力效应起因于它们的时空弯曲。在20世纪初,作为物体间引力的有效描述,牛顿的万有引力定律已被认可两百多年了。在牛顿的模型中,重力是巨大物体间引力的结果。尽管这种力的未知