愛因斯坦的相對論對GPS至關重要在遙遠的恒星中可見

愛因斯坦，全球定位系統(GPS)和距地球20萬億英里的一對恒星有什么共同點?答案是愛因斯坦的相對論通論(稱為“引力紅移”)產生的一種影響，在這種情況下，光因引力而變為紅色。天文學家利用NASA的錢德拉X射線天文臺，在距我們約29,000光年(200,000萬億英里)的銀河系中的兩顆彼此繞行的恒星中發現了這一現象。盡管這些恒星非常遙遠，但引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到它們，才能為GPS提供準確的位置。

盡管科學家們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引力紅

移卻具有挑戰性。Chandra的新結果為在新的宇宙環境中發揮作用的引力紅移效應提供了令人信

服的證據。

被稱為4U 1916-053的引人入勝的系統在非常接近的軌道上包含兩顆恒星。一個是一顆恒星的核

心，該恒星的外層被剝去，留下了一顆比太陽更密的恒星。另一個是中子星，這是一個更大的物

體，當超大新星爆炸中有大質量的恒星坍塌時，它就會產生。在畫家的印象中，中子星(灰色)

顯示在從其伴星拉出的熱氣盤的中心(左側為白色星)。

這兩顆緊湊的恒星相距僅215,000英里，大約是地球與月球之間的距離。月亮每月繞行星運行一

次，而4U 1916-053中的密伴星繞著中子星旋轉，僅用50分鐘就完成了一次完整的軌道。

在有關4U 1916-053的新工作中，團隊分析了錢德拉(Chandra)的X射線光譜，即不同波長的X射

線數量。他們發現了光譜中鐵和硅吸收X射線光的特征。在錢德拉進行的三個獨立觀測中，數據

顯示，所檢測到的X射線量急劇下降，接近預期鐵或硅原子吸收X射線的波長。主圖中包括顯示鐵

吸收的光譜之一(左右兩側的傾角)。附加圖形顯示了被硅吸收的光譜。在兩個光譜中，數據均

顯示為灰色，計算機模型顯示為紅色。

但是，與地球上的實驗室值相比，鐵和硅的這些特征標記的波長移到了更長或更紅的波長(每個吸收標記的藍色垂直線所示)。研究人員發現，在三個Chandra觀測中，每個吸收特征的位移都相同，并且它太大，無法用遠離我們的運動來解釋。相反，他們得出結論，這是由引力紅移引起的。

這與廣義相對論和GPS有何關系?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GPS所需的高精度，需要考慮到這種影響，否則時間上的細微差異會迅速增加，從而計算出不準確的位置。

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，就是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。由于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(包括鐵和硅的信號)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恒星中，吸收特征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引力紅移的證據，其波長偏移通常僅為4U 1916-053的約15%。