愛因斯坦的相對論對全球定位系統的影響同樣適用於遙遠的恆星

愛因斯坦，全球定位系統（Global Positioning System，簡稱 GPS）和距地球三萬四千光年的一對恆星有什麼共同點？答案是愛因斯坦的廣義相對論中重力紅移（gravitational redshift）所產生的影響，在這種情況下，光因重力而變為更紅色。天文學家利用美國太空總署的錢德拉X射線天文台（Chandra X-ray Observatory），在距我們約二萬九千光年的銀河系中的兩顆恆星中，發現了這種現象。儘管這些恆星非常遙遠，但重力紅移對現代生活產生了明顯影響，因為科學家和工程師必須考慮這種現象，才能為全球定位系統提供準確的位置。

儘管科學家發現了太陽系中引力紅移的確鑿證據，但要在太空中更遙遠的物體中觀察到重力紅移卻具有挑戰性。錢德拉X射線天文台新觀測結果為在宇宙環境中發揮作用的重力紅移效應提供了令人信服的證據。

稱為4U 1916-053（4U=Fourth Uhuru Catalog=X射線探測衛星第四星表）系統在非常接近的軌道上包含兩顆恆星。其中一顆恆星是系統的核心，這顆恆星的外層已經剝離，留下了一顆比太陽更密的恆星。另一顆是中子星，這是一顆更大的星體，當超新星爆炸中有大質量的恆星坍塌時，它就會產生中子星。

這兩顆緊湊的恆星僅相距約346,009公里，大約是地球與月球之間的距離。月球每個月繞地球運行一次，而4U 1916-053中的伴星繞著中子星旋轉，只需五十分鐘就完成一次公轉軌道。

研究團隊分析了錢德拉X射線天文台得到的4U 1916-053 X射線光譜，在不同波長的X射線數量。他們發現光譜中鐵和矽吸收X射線光的特徵。在錢德拉X射線天文台進行的三次獨立觀測中，數據顯示，在接近鐵或矽原子吸收X射線的波長所檢測到的X射線量急劇下降。但是，與地球上的實驗室值相比，鐵和矽的這些特徵標記的波長移到了更長或更紅的波長。研究人員發現，在三次錢德拉X射線天文台觀測中，每個吸收特徵的位移都是相同的，而且它太大，無法用遠離我們的運動來解釋。相反，他們得出結論，這是由重力紅移引起。

這與廣義相對論和全球定位系統有什麼關係？正如愛因斯坦理論所預言的那樣，在重力作用下的時鐘運行速度比從遠處重力較弱的區域觀看的時鐘運行速度慢。這意味著從運行中的衛星觀察到的地球時鐘運行速度較慢。為了獲得全球定位系統所需的高精度，需要考慮到這種影響，否則時間上的細微差別會迅速增加，從而計算出不准確的位置。

包括X射線在內的所有類型的光也會受到重力的影響。打個比方，一個人正在扶梯而下降，當他們這樣做時，與自動扶梯靜止或上升相比，人損失的能量更多。重力對光有類似的影響，能量損失會降低頻率。由於真空中的光始終以相同的速度傳播，因此能量損失和頻率降低意味著光（包括鐵和矽的X光訊號）轉移到更長的波長。

這是第一個有力的證據，證明在一對具有中子星或黑洞的恆星中，吸收特徵會因重力而轉移到更長的波長。先前已經從白矮星的表面觀察到有明顯的吸收重力紅移的證據，其波長偏移通常僅為4U 1916-053的約15％。

科學家指出，覆蓋在中子星附近的圓盤上的氣體氣體很可能吸收了X射線，從而產生了這些結果。光譜偏移的大小使研究小組能夠計算出這種氣體的距離。他們發現，大氣層距離中子星2,145公里，相當於中子星到伴星的距離的0.7％。它可能從中子星延伸數百公里。

未來一年，美國太空總署批出錢德拉X射線天文台更多觀測時間，以便科學家更深入研究4U 1916-053系統的結構和運動機制。

【圖、文：節譯自美國太空總署2020年10月22日新聞公佈】研究全文刊登在2020年8月11日出版的《天體物理學快報》