检验爱因斯坦
理想的实验室
脉冲双星J0737-3039：
目的：通过对脉冲双星的射电观测探测引力波和其他相对论效应
状况：正在得出科学成果
优点：相对强的引力环境，大量相对论效应，高精度检验
缺点：我们不得不接受自然界提供的东西
突出点：天文学家已至少测量了4种相对论效应
在爱因斯坦的宇宙中，大质量物体的剧烈加速，如黑洞的合并、螺旋运动的中子星，以及超新星等，会产生时空结构的涟漪。这种所谓引力波的间接证据出现在1974年，当时Joseph H. Taylor（现在普林斯顿大学）和Russell A. Hulse（现在普林斯顿等离子物理实验室）发现了一对脉冲双星，这是两个相互绕转的旋转中子星。随后由Taylor和Carleton学院的Joel M. Weisberg进行的观测表明，该系统的轨道衰减与广义相对论的预言精确相符。在这两颗中子星以7.75小时的周期相互绕转的时候，它们以引力波的形式释放的能量使它们以螺旋形式相互靠近，并以更快的速度相互绕转。由于他们的工作，Taylor和Hulse分享了1993年诺贝尔物理奖。
2003年在大犬座发现的J0737-3039为广义相对论提供了最好的测试场。这对双星之间800000千米的距离（这比地月距离的两倍稍大）要小于其他7对已知脉冲双星中的任何一对更小。这对致密的星骸每2.4小时绕转一周，它们的舞蹈让时空摇摆。西北大学的物理学家Vicky Kalogera说，“这一紧密联系的系统使我们可以观测到前所未见的新相对论效应。”
在这个新发现的双星系统中，由广义相对论性时空弯曲造成的轨道进动达到了令人惊异的16.88度/年。只要21.3年，两颗脉冲星的轨道就可以绕共同质心一周。（图片提供：Michael Kramer/Jodrell Bank Observatory/University of Manchester）
实际上，发现J0737-3039的那个国际射电天文学家小组已至少目睹了强引力环境中对理论最精确的检测带来的四种广义相对论效应，且可能有第5种（测地线效应）。小组成员、英国曼彻斯特大学的Michael Kramer说：“在强引力场中，理论的偏离是明显的，所以对脉冲星的检验是绝对必要的。”
第一，天文学家已观测到了期望的近星点（两脉冲星轨道上距离最近的点）进动。每年16.88度的进动是目前观测过的最大的，比水星近日点的相对论性进动大140000倍，比Taylor和Hulse发现的脉冲双星近星点进动大4倍。
第二，由于旋转的脉冲星是极其精确的钟，Kramer及其同事观测到了爱因斯坦理论所作出的更奇特的预言：在强引力场中的时钟对于远处的观测者来说走时变慢。由于脉冲星相互距离很近，在我们看来时间实际上是变慢了，这导致旋转较快的子脉冲星自转周期增加了0.38毫秒。物理学家已注意到了距离地球更近的地方也有类似效应（但幅度更小），如在地球表面的原子钟走时要比飞机上的稍微慢些。
第三，系统表现出了被称作Shapiro延迟的怪异现象，这一现象是以哈佛大学天体物理学家Irwin I. Shapiro的名字命名的。当一颗脉冲星运动到另一颗后面时，它所发出的光线被迫沿其伴星质量导致的弯曲时空运行。其结果是，脉冲星发出的光线为爬出引力场所走的路径更长，导致了观测到的90微秒延迟。
第四，与Taylor和Hulse的系统类似，两颗脉冲星之间的距离在减小。在以引力波的形式释放轨道能量的同时，J0737-3039子星的间距每天减少7毫米。
在辐射引力波的同时，J0737-3039的两颗脉冲星会损失轨道能量，并以螺旋形式互相靠近，直到8500万年后相互并合。（图片提供：National Academy of Sciences）
为直接看到引力波，科学家现在正在使用LIGO（Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory）等地基探测器。但由于地震和其他地面干扰，最近对LIGO作出发现的机会的估计看起来极其惨淡：每10至100年只有一个信号。一些科学家担心他们不得不再等上5至10年，以待LISA（Laser Interferometer Space Antenna）的发射，这是一个由NASA和欧洲空间局合作的计划，用于探测引力长波。但J0737-3039的发现说明，密近脉冲双星可能比先前设想的更常见，这会显著地增加LIGO成功的机会。Kalogera说，“几率增加了5.5至7倍”，这意味着每两三年LIGO就能探测到一次来自合并的中子星或黑洞的引力波——哪怕是在长期计划的升级之前就可以探测到。
