爱因斯坦的相对论对GPS至关重要在遥远的恒星中可见

爱因斯坦，全球定位系统(GPS)和距地球20万亿英里的一对恒星有什么共同点?答案是爱因斯坦的相对论通论(称为“引力红移”)产生的一种影响，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)的银河系中的两颗彼此绕行的恒星中发现了这一现象。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。

尽管科学家们发现了太阳系中引力红移的确凿证据，但要在太空中更遥远的物体中观察到引力红

移却具有挑战性。Chandra的新结果为在新的宇宙环境中发挥作用的引力红移效应提供了令人信

服的证据。

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，留下了一颗比太阳更密的恒星。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塌时，它就会产生。在画家的印象中，中子星(灰色)

显示在从其伴星拉出的热气盘的中心(左侧为白色星)。

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，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。在钱德拉进行的三个独立观测中，数据

显示，所检测到的X射线量急剧下降，接近预期铁或硅原子吸收X射线的波长。主图中包括显示铁

吸收的光谱之一(左右两侧的倾角)。附加图形显示了被硅吸收的光谱。在两个光谱中，数据均

显示为灰色，计算机模型显示为红色。

但是，与地球上的实验室值相比，铁和硅的这些特征标记的波长移到了更长或更红的波长(每个吸收标记的蓝色垂直线所示)。研究人员发现，在三个Chandra观测中，每个吸收特征的位移都相同，并且它太大，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?正如爱因斯坦理论所预言的那样，在重力作用下的时钟运行速度比从远处重力较弱的区域观看的时钟运行速度慢。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，否则时间上的细微差异会迅速增加，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下降。当他们这样做时，与自动扶梯静止或上升相比，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证据，其波长偏移通常仅为4U 1916-053的约15%。