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明察其奸:光泽偏折效应的高精度测量
发布日期:2022-03-24 17:54    点击次数:179

1919年11月7日,《伦敦时报》头版头条刊登了一篇“科学翻新/新全国表面/牛顿思惟被推翻”的报道,仍是发出,立即在全世界引起了震撼。爱因斯坦这位名不见经传的德国科学家因此名声大噪,同期也将他的表面广义相对论的奇异宗旨和复杂数学带到大家眼前。从那以后,爱因斯坦的光环一直精通于今。英国历史学家保罗约翰逊以至以为:“当代”就始于这一事件。

爱因斯坦和他对太阳引起的光泽偏折的预言 │ 图源:维基百科

激励如斯纳闷的事件是在1919年5月人类在日全食期间初次到手测量了太阳引起的光泽偏折,偏折角度与爱因斯坦广义相对论的预言一致,却与人们敬佩的牛顿引力表面的预言大相径庭。今天,就让咱们沿路望望光泽偏折投射的夺眼光彩。

01

光泽偏折:引力表面的角逐战场

大家都显露,光在均匀介质中是以直线传播的,但不错被透镜、镜子和引力地方偏转。牛顿力学预测,一个以光速泛动的粒子,要是碰巧掠过太阳的名义,将被偏转0.875角秒(1°= 3600 角秒 )。

太阳引起的光泽偏折暗意图 │ 图源:紫金山天文台

早在1911年,爱因斯坦就预测了由太阳引力所引起的光泽偏折应为0.875角秒,并提议在随后的日全食期间测量太阳的光泽偏折效应,但受阻于第一次世界大战柔和候原因,未能到手调查。1915年11月,跟着广义相对论的日趋完善,爱因斯坦意识到太阳的光泽偏折效应是他早期预测值的两倍,即1.75角秒。

从咫尺的角度来看,咱们显露爱因斯坦在1911年的原始推导莫得任何颓势或诞妄,仅仅他相配于用牛顿表面来谋略以光速认识的粒子的偏折。翻倍是由于牛顿表面下的光泽偏折效应莫得接头到空间曲率的影响。

此外,广义相对论以为,牛顿偏折和空间曲率效应的大小是疏通的;而在后续人们建议的其它引力表面中,牛顿偏折是疏通的,但空间曲率效应有所不同。自后,人们发展了一套交融多种引力表面的要津论,取名为后牛顿表面,并用参数γ来形容空间曲率,以差异不同的引力表面[1]。关于广义相对论来说,γ = 1。孰是孰非,就要靠调查来考据了。精准测量光泽偏折角度,取得高精度的空间曲率参数,就是磨砺或者差异广义相对论和其它不同引力表面的一种要津。

引力作用下空间发生辗转,辗转进程由参数γ形容。│ 图源:维基百科

02

光泽偏折测量的历史

〇 日食探险考据

1919年3月8日,就在一战媾和四个月后,两支探险队从英国起程,筹办在日食期间测量广义相对论预言的光泽偏转。英国剑桥大学的阿瑟·斯坦利·爱丁顿动身前去赤道几内亚海岸外的普林西比岛;安德鲁·克罗梅林带领另一支队伍前去巴西北部的索布拉尔市。他们将在日全食期间,用千里镜和影相底片拍摄被避讳的太阳和周围的恒星,然后将这些像片与几个月前太阳隔离这个区域时拍摄的恒星的像片进行位置比较。

1919年5月29日,日全食如约而至,两个调查队都到手地拍摄了日全食期间的像片。经由措置和谋略,两支队伍测得的偏折角分别为1.60 ± 0.31和1.98 ± 0.12角秒,更接近爱因斯坦的预测值,而与牛顿的不符。广义相对论取得初次考据。1919年11月6日,爱丁顿在伦敦皇家学会告示了此次太阳激励的的光泽偏折的测量后果,也向世界宣告了广义相对论的到手,从而出现了著述开首的一幕。

从1919年的初次测量到20世纪70年代,天体裁家又持续进行了屡次日食探险。尽管不同的测量给出的数值在广义相对论预测的0.75到1.50倍之间,测量精度也莫得提高,但是简直莫得人怀疑爱因斯坦打败了牛顿。

爱丁顿1919年日食实验的像片之一│图源:维基百科

〇光学与射电光泽偏折测量

20世纪60年代于今,大都天文发现不断讲明注解广义相对论在天体物理学中的中心性位,同期空间方法和射电甚长基线干预技艺的发展为更精准地测量光泽偏折效应、磨砺广义相对论提供了新的机遇。

欧洲航空局的依巴谷空间卫星(左)和美国的甚长基线干预阵(VLBA,右)│图源:维基百科

针对太阳所引起的光泽偏折,欧洲航空局的依巴谷(Hipparcos)光学天体测量卫星测量取得的参数γ的精度达到0.2%;联系于光学测量,甚长基线干预技艺在测量γ上推崇了更伏击的作用,用甚长基线干预(VLBI)测量光泽偏折始于1969年,跟着技艺的不断发展,到咫尺胁制,γ的最高测量精度已达到9×10⁻⁵。[1]

参数γ的测量历史,测量精度在迟缓培植[2]

〇 光泽偏折效应的高精度测量

本世纪初,紫金山天文台徐烨规画员过甚合营者发展了VLBI高精度天体测量技艺,使天体位置的测量精度不祥达到几十微角秒,并将其到手欺诈于测量天体的位置、距离和认识,进而规画星河系旋臂结构和认识学性质[3]。该技艺于今仍在外洋上遥遥跨越。基于这一高精度天体测量技艺,精准测量太阳系行星引力场磨砺广义相对论如虎添翼。

左证广义相对论的谋略,太阳系的大卫星(如月球,木卫三等)激励的光泽偏折不祥达到几十微角秒,关于行星而言更高,如木星的光泽偏折效应最大不错达到16毫角秒。这些身分都会影响天体的位置测量精度。是以,精准测量太阳系行星、大卫星引起的光泽偏折并加以校准,亦然将来完毕(亚)微角秒级高精度天体测量的基础。

木星在所有行星与大卫星中的光泽偏折效应是最强的,最容易被测量到。在2020年10月与2021年2月间,紫台团队请求了VLBA的4次调查,在抽象接头大气、仪器等影响身分,并进行复杂数据措置之后,测得天体的位置精度约为20微角秒,进而取得过错参数:γ = 0.984 ± 0.037[4]。

远处天体发出的光泽在行星引力场作用下发生偏折│图源:作家

与以往的规画比较,此次的规画初次接头了多引力天体激励的光泽偏折的类似效应;精准测量了行星与大卫星激励的光泽偏折,并磨砺了广义相对论。将来将迟缓把光泽偏折效应蔓延至各个行星,各个卫星,乃至所有太阳系天体。

与太阳比较,测量行星与大卫星的光泽偏折效应有哪些上风呢?

行星与卫星大气的影响远低于太阳大气的影响:

规画标明,从火星辐射的光泽掠过太阳名义时,在1 GHz的频率处,光泽会被太阳大气偏折达到约25角秒,远高于太阳引力激励的光泽偏折(约1.75角秒)。何况太阳大气的变化绝顶剧烈,这使得猜想太阳大气激励的光泽偏折绝顶穷苦,也就很难分离出太阳引力激励的光泽偏折。相对来说,行星大气的影响要小许多,这是用行星磨砺引力论的一个上风。

阵势上风:

关于质地踱步均匀的球体,在谋略它的引力时,不错把它看作是质地都鸠合在球心的质点,可是,天体大多不是严格的球体,而是椭球体。相对太阳来说,木星更扁,那么它更相宜磨砺二阶后牛顿表面。

多引力天体的影响和引力天体的认识:

当要接头多个天体的光泽偏折效应的类似效适时,也需要太阳除外的行星或卫星的参与。当引力天体认识时,也会导致光泽偏折的变化,木星比太阳认识更快,将会是更好的实验对象。

上述的后两点,亦然光泽偏折测量与表面谋略将靠近的前所未有的雄伟挑战。

03

揣度 :星空从未如斯竟然

Gaia是欧洲航空局2013年辐射的高精度天体测量卫星,具有十到几百微角秒不等的天体测量智商,可测量低至20星等的十几亿颗恒星的位置,揣度它能将光泽偏折和γ的精度提高到10⁻⁶[5],但于今莫得实测后果发表。

将来宽泛公里阵列SKA和FAST阵列带来的技艺翻新,预期不祥使得天体的位置精度达到微角秒、以至亚微角秒量级。如斯一来,参数γ的测量精度不祥达到10⁻⁸以至更高,这足以磨砺与发展高阶后牛顿表面及不同的引力论、规画认识的引力天体的引力、探究多引力天体的光泽偏折的类似效应等等。

因此,对太阳系内天体激励的光泽偏折的表面谋略是高精度天体测量的必要准备;而高精度天体测量也将进一步培植后牛顿表面参数的测量精度,并优化表面。这两者将相得益彰,交互培植。

更值得一提是,在将来天体测量精度达到亚微角秒的情况下,“测量星河系重子物资和暗物资踱步”也将成为试验。

在科学的殿堂里有着多样种种的豪宅,光泽偏折测量就是其中璀璨的一所。从它的第一次面世,到百余年来科学家们矢志不渝地锦上添花,它愈发光彩属目、悠悠忘返。将来,科学家们将使光泽偏折测量更进一步地欢快光芒,致力于激动“引力表面磨砺”与“高精度天体测量”等各方面培植。请信赖,将来的它会更美,因为咱们人类有着伟大的勇气。

参考文件:

[1] Titov, O., Girdiuk, A., Lambert, S. B., et al. 2018, A&A, 618, A8

[2] Will, C. M. 2015, CQGra, 32, 124001

[3] Xu, Y., Reid, M. J., Zheng, X. W., & Menten, K. M. 2006, Science, 311, 54

[4] Li, Y. J., Xu, Y., Li, J. J., et al. 2022, ApJ, 92, 47

[5] Mignard, F. 2002, Fundamental Physics with GAIA (EAS Publications Series vol 2), ed. O. Bienayme and C. Turon (Les Ulis, France: EDP Sciences), pp 107–121

作家简介

李英雄

中国科学院紫金山天文台青海调查站助理规画员。

郝超杰

中国科学院紫金山天文台青海调查站博士规画生。



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