“引力红移”：爱因斯坦的相对论，对GPS至关重要，在遥远的恒星中可以看到

爱因斯坦，全球定位系统（GPS）和一对距地球20万亿英里的恒星有什么共同点？

答案是爱因斯坦的相对论通论（称为“引力红移”）产生的影响，在这种情况下，光因引力而变为红色。天文学家利用NASA的钱德拉X射线天文台，在距我们约29,000光年（200,000万亿英里）的银河系中的两个恒星中相互绕转的现象中发现了这一现象。尽管这些恒星非常遥远，但引力红移对现代生活产生了明显的影响，因为科学家和工程师必须考虑到它们，才能实现GPS的精确位置。

尽管科学家发现了我们太阳系中引力红移的确凿证据，但要在太空中更远的物体中观察到引力红移一直是具有挑战性的。Chandra的新结果提供了令人信服的证据，证明了在新的宇宙环境中引力的红移效应正在发挥作用。

被称为4U 1916-053的引人入胜的系统在非常接近的轨道上包含两颗恒星。一个是一颗恒星的核心，该恒星的外层被剥去，留下一颗比太阳密度大得多的恒星。另一个是中子星，这是一个更大的物体，当超大新星爆炸中有大质量的恒星坍缩时产生。在艺术家的印象中，中子星（灰色）显示在从其同伴拉出的热气盘的中心（白色）左边的星号）。

这两颗紧凑的恒星相距仅215,000英里，大约是地球与月球之间的距离。月亮每月绕行星运行一次，而4U 1916-053中的密伴星绕着中子星旋转，仅用50分钟就完成了一次完整的轨道。

在有关4U 1916-053的新工作中，该团队分析了钱德拉（Chandra）的X射线光谱-即不同波长的X射线数量。他们发现了光谱中铁和硅吸收X射线光的特征。在对钱德拉的三个单独观察中，数据显示，与预期铁或硅原子吸收X射线的波长接近的X射线检测量急剧下降。主图形中包括一个显示被铁吸收的光谱，另一个图形中显示了被硅吸收的光谱。

但是，与地球上的实验室值（虚线所示）相比，铁和硅的这些特征性特征的波长移到了更长或更红的波长。研究人员发现，在三个Chandra观测中，每个吸收特征的位移都是相同的，而且它太大了，无法用远离我们的运动来解释。相反，他们得出结论，这是由引力红移引起的。

这与广义相对论和GPS有何关系？正如爱因斯坦的理论所预言的那样，在重力作用下的时钟的运行速度要比从重力较弱的遥远地区观察到的时钟慢。这意味着从运行中的卫星观察到的地球时钟运行速度较慢。为了获得GPS所需的高精度，需要考虑到这种影响，否则时间上的微小差异会迅速累加，从而计算出不准确的位置。

包括X射线在内的所有类型的光也会受到重力的影响。打个比方，就是一个人正在扶梯而倒下。当他们这样做时，与自动扶梯静止或上升相比，该人损失的能量更多。重力对光有类似的影响，能量损失会降低频率。由于真空中的光始终以相同的速度传播，因此能量损失和频率降低意味着光（包括铁和硅的信号）转移到更长的波长。

这是第一个有力的证据，证明在一对具有中子星或黑洞的恒星中，吸收特征会因重力而转移到更长的波长。先前已经从白矮星的表面观察到有明显的吸收引力红移的有力证据，其波长偏移通常仅为4U 1916-053波长偏移的15％。

科学家说，覆盖在中子星附近的圆盘上的气体气氛（蓝色显示）很可能吸收了X射线，从而产生了这些结果。光谱位移的大小使研究小组能够使用广义相对论并假设中子星具有标准质量，从而计算出大气层距中子星的距离。他们发现，大气层距离中子星1500英里，大约是洛杉矶到纽约的距离的一半，仅相当于中子星到伴星的距离的0.7％。它可能从中子星延伸数百英里。

在这三个光谱中的两个光谱中，也有证据表明吸收特征已经转移到甚至更红的波长，对应的距离仅为中子星到伴星的距离的0.04％。但是，与离中子星较远的信号相比，这些信号的可信度较低。

在接下来的一年中，科学家被授予了进一步的钱德拉观测时间，以更详细地研究该系统。

描述这些结果的论文发表在2020年8月10日的《天体物理学杂志快报》上。该论文的作者是尼古拉斯·特鲁巴（Nicolas Trueba）和乔恩·米勒（Jon Miller）（安阿伯的密歇根大学），安德鲁·法比安（Andrew Fabian）（英国剑桥大学），卡斯特拉（J.Kaastra）（荷兰空间研究所），卡尔曼（T. Kallman）（美国宇航局戈达德太空飞行中心）马里兰州格林贝尔特市），A。Lohfink（蒙大纳州立大学），D。Proga（内华达大学，拉斯维加斯），John Raymond（天体物理学中心/哈佛大学和史密森尼大学），Christopher Reynolds（剑桥大学）和M.雷诺兹和A.Zoghbi（密歇根大学）。

参考：Nicolas Trueba，JM Miller，AC Fabian，J。Kaastra，T。Kallman，A。Lohfink，D。Proga，J。撰写的“超紧凑中子星X射线双星4U 1916-053中的红移内盘大气和瞬态吸收器”雷蒙德·雷诺兹（Raymond C. Reynolds），雷诺兹（M. Reynolds）和佐格比（A.Zoghbi），2020年8月11日，《天体物理学杂志快报》。
10.3847 / 2041-8213 / aba9dearXiv：
2008.01083

美国国家航空航天局（NASA）的马歇尔太空飞行中心（Marshall Space Flight Center）管理钱德拉（Chandra）计划。史密森天文台天文台的CXC控制着剑桥和马萨诸塞州伯灵顿的科学和飞行操作。