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2015-08-11 重力常數,宇宙通行

 
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A 21-year study of a pair of ancient stars -- one a pulsar and the other a white dwarf -- helps astronomers understand how gravity works across the cosmos. The study was conducted with the NSF's Green Bank Telescope and the Arecibo Observatory. Credit: B. Saxton (NRAO/AUI/NSF)   重力是自然界四大基本作用力之一。根據天文學家利用一顆遙遠波霎(pulsar)的研究結果顯示:極可能全宇宙的重力常數G皆相同。這項研究成果可幫助科學家們解決一個懸宕已久的宇宙論難題:重力是否在任何地方、任何時刻都是相同的?這個問題的答案,到目前為止,應該是「yes」。

  普朗克電波天文研究所(Max Planck Institute for Radio Astronomy)朱煒煒(Weiwei Zhu)等人參與的一項研究計畫,利用位在美國西維吉尼亞州的綠堤電波望遠鏡(Green Bank Telescope,GBT)和位在波多黎各的阿雷西波電波望遠鏡(Arecibo)進行一項長達21年的觀測,精確測量波霎PSR J1713+0747所放出的波霎訊號,這項刻苦耐勞的研究工作,創造出迄今以太陽系以外天體獲得的最佳重力常數制約條件。

  所謂的波霎,是大質量恆星經超新星爆炸後殘餘的核心部分,基本組成成分皆為中子,且因自轉速度非常快,密度非常高,磁場也很強,因磁軸與自轉軸並不重合,因此順著磁極發出的電波波束會隨自轉而掃過不同天區,如同燈塔一般,在地球上的人們便會接收到固定頻率的電波訊號。波霎密度很高,質量很大,但直徑卻僅有20-25公里左右,相當於把比太陽還大許多倍的恆星濃縮至臺北市的大小,但因其自轉速度非常穩定,且會發出固定頻率的電波訊號,因此就像是個天然又非常精確的電子鐘一樣,天文學家因而喜歡利用波霎當作研究空間、時間與重力等基本性質的天然實驗室。

  PSR J1713+0747距離地球約3750光年,有顆白矮星伴星,是迄今已知最亮、最穩定的波霎之一。先前曾進行過的研究顯示這個波霎與其白矮星伴星互繞週期約為68天,意味著這對雙星之間的軌道距離比平常類似的致密天體組成的雙星還要寬,這個狀況並不常見,但卻是研究重力的必要環境,因為重力輻射效應(effect of gravitational radiation),也就是愛因斯坦預測的軌道速度會穩定地轉換成重力波,這種效應其實非常微小,對波霎軌道的影響程度基本上可以忽略。若波霎軌道變動很明顯的話,會影響波霎計時實驗的精確度。

  重力是將恆星、行星與星系等束縛在一起的作用力。雖然在地球各處顯示為常數,但有些宇宙論理論認為重力會隨時間改變,或是可能在宇宙不同角落,重力常數也會不同。然而,經過21年的長期監測後,朱煒煒等人確認這顆遙遠波霎發出電波輻射的頻率極穩定,顯示遙遠恆星系統的重力常數與在地球所得之G一致;先前其他科學家利用雷射測距方式研究地球至月球的距離,發現地月系統內的重力常數也不會隨時間改變。這是重力常數G應該全宇宙皆同的重要證據。

  重力常數是基礎物理常數,對瞭解基本物體在不同地點、時間、重力條件下的性質等都非常重要從這個研究成果,這些學者可將一些與相對論不同的重力理論排除,給予往後相關研究的制約條件,讓科學家得以愈來愈接近事實真相。

資料來源:https://public.nrao.edu/news/pressreleases/gravitation-gbt-pulsar, 2015.08.06, KLC

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