爱因斯坦的相对论，对GPS来说至关重要，在遥远的恒星中可以看到

阿尔伯特·爱因斯坦、全球定位系统(GPS)和距离地球200000万亿英里的一对恒星有什么共同之处？答案来自爱因斯坦的广义相对论效应，被称为“万有引力效应”。在广义相对论中，由于重力的作用，光线会变成更红的颜色。利用美国宇航局的钱德拉X射线天文台，天文学家在距地球约29000(200000万亿英里)的银河系中发现了这一现象。虽然这些恒星非常遥远，但引力红移对现代生活有切实的影响，因为科学家和工程师必须考虑到它们，才能为GPS提供准确的位置。

虽然科学家们已经发现了太阳系引力红移的无可争辩的证据，但在太空中更远的物体上观测它们一直是一件具有挑战性的事情。新的钱德拉结果为引力红移效应在新的宇宙环境中发挥作用提供了令人信服的证据。

这个有趣的系统被称为4U1916-053，在一个非常近的轨道上包含两颗恒星。一种是恒星的核心，它的外层被剥离，剩下的恒星密度比太阳大得多。另一颗是中子星，一颗大质量恒星在超新星爆炸中坍塌时产生的密度更高的物体。中子星(灰色)显示在这位艺术家的印象中，它位于一个热气盘的中心，从它的同伴(左边的白色恒星)拉出。

这两颗致密恒星相距仅约21.5万英里，大致相当于地球和月球之间的距离。虽然月球每月绕我们的星球运行一次，但这颗位于4U1916-053年的致密伴星绕着中子星旋转，仅用了50分钟就完成了完整的轨道运行。

在4U1916-053的新工作中，研究小组分析了来自钱德拉的X射线光谱-即不同波长的X射线的量。他们在光谱中发现了铁和硅吸收X射线光的特征特征。在对钱德拉的三次独立观测中，数据显示探测到的X射线量急剧下降，接近铁或硅原子预计吸收X射线的波长。显示被铁吸收的光谱之一-左侧和右侧的凹陷-包括在主图形中。另一张图显示了被硅吸收的光谱。在这两个光谱中，数据用灰色表示，计算机模型用红色表示。

然而，与地球上发现的实验值相比，铁和硅的这些特征信号的波长被移动到更长或更红的波长(每个吸收信号用蓝色垂直线表示)。研究人员发现，在钱德拉的三次观测中，吸收特征的移动都是相同的，而且它太大了，不能用远离我们的运动来解释。相反，他们得出结论，它是由引力红移引起的。

这与广义相对论和GPS有何联系？正如爱因斯坦的理论所预测的那样，在重力作用下的时钟运行速度比从较弱重力的遥远区域观看的时钟运行的速度要慢。这意味着从轨道卫星上观测到的地球上的时钟运行速度较慢。为了拥有GPS所需的高精度，需要考虑这种影响，否则会有很小的时间差异，这将很快累积起来，计算不准确的位置。

所有类型的光，包括X射线，都会受到重力的影响。打个比方，一个人跑上一部正在下落的自动扶梯。当他们这样做时，人会比自动扶梯静止或向上移动时损失更多的能量。重力对光也有类似的影响，能量损失会产生较低的频率。因为光在真空中总是以相同的速度传播，能量的损失和更低的频率意味着光，包括铁和硅的特征，转移到更长的波长。

这是第一个强有力的证据表明，在一对有中子星或黑洞的恒星中，吸收信号因重力而向更长的波长移动。之前已经从白矮星的表面观察到了吸收引力红移的有力证据，波长漂移通常只有4U1916-053的15%左右。

科学家们说，很可能是覆盖着中子星附近圆盘的气体大气(以蓝色显示)吸收了X射线，从而产生了这些结果。(这种大气层与圆盘外部的红色气体凸起无关，红色气体在每个轨道上阻挡一次来自圆盘内部的光。)。光谱漂移的大小使得研究小组可以利用广义相对论并假设中子星的标准质量来计算大气层距离中子星有多远。他们发现，大气层距离中子星1500英里，大约是洛杉矶到纽约距离的一半，仅相当于中子星到伴星距离的0.7%。它可能从中子星延伸数百英里。

在三个光谱中的两个中，也有证据表明吸收信号已经移动到更红的波长，对应于从中子星到伴星的距离只有0.04%。然而，与距离恒星更远的特征相比，检测到这些特征的置信度较低。

科学家们在接下来的一年里获得了更多的钱德拉观测时间，以便更详细地研究这个系统。

描述这些结果的一篇论文发表在2020年8月10日的“天体物理杂志”上。更多信息：Nicolas Trueba等人。超致密中子星X射线双星4U1916-053中的红移内盘大气和瞬态吸收体，天体物理杂志(2020)。网址：10.3847/20418213/aba9de，arxiv.org/abs/2008.01083