在過去的二十年裡，天文學家一直在利用一個位於數千光年之外，朝向南十字星座方向的絕佳天體實驗室來檢驗愛因斯坦的廣義相對論。
這個實驗室於 1999 年被發現，由兩個恆星重量級天體組成，它們被鎖定在一個精心設計的軌道舞蹈中：一顆白矮星——一顆正在緩慢冷卻的地球大小的灰燼，是一顆蒸發恆星留下的遺蹟——圍繞著一顆名為 PSR J1141-6545 的脈衝星旋轉——一顆快速旋轉、超高密度、城市大小的中子星，由災難性的超新星爆炸產生。每一個都將其整個太陽的等效質量壓縮到其緊湊的框架中。這種耦合不太可能發生，但在整個星系中相對而言並不罕見，但這一次特別特殊：白矮星位於一個極其接近的軌道上，經歷著大約五個小時的“一年”，並以高達每小時一百萬公里的速度圍繞著稍微重一點的伴星飛馳，而伴星本身則以每秒兩倍以上的速度旋轉。
對於研究廣義相對論的科學家來說，這個系統簡直是天作之合。阿爾伯特·愛因斯坦最成功的理論產生的各種奇異現象在其極端引力條件下顯露出它們的“相對論”特性。天文學家使用射電望遠鏡可以精確地測量它們，這要歸功於這些效應在脈衝星的節拍脈衝上留下的微小偏差。例如，這種“脈衝星計時”測量表明，時間膨脹正在扭曲 PSR J1141-6545 的視自轉速率，並且由於大量引力波的發射，白矮星的軌道正在逐漸衰減——所有這些都與預測相符。現在，一個研究團隊已經成功地探測到另一個愛因斯坦式的怪異現象：相對論性框架拖曳——也稱為 Lense-Thirring 效應，以紀念一個多世紀前預測它的理論家——其中一個快速旋轉的物體會使其周圍的時空結構旋轉。該研究結果於 1 月 30 日在科學雜誌上發表。
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“想象一下，你有一碗蜂蜜，你把一個高爾夫球和一些食用色素放進去，”德國波恩馬克斯·普朗克射電天文學研究所的首席研究作者維韋克·文卡特拉曼·克里希南說。“如果你非常快速地扭動高爾夫球，蜂蜜也會旋轉，並拖動食用色素一起旋轉。在這種情況下，旋轉的球是白矮星，蜂蜜是時空曲率，食用色素是脈衝星。”
PSR J1141-6545 雙星系統的藝術家描繪圖，由一顆圍繞快速旋轉的白矮星執行的中子星組成。白矮星的自轉拖動著周圍的時空結構，導致軌道在空間中翻滾。
研究人員以前曾探測到相對論性框架拖曳，測量了其對在地球自轉時穿過地球引力場的衛星實驗的極小影響。但這是首次在宇宙中的其他地方如此清晰地看到其微妙的影響——在這個奇異的系統中，框架拖曳效應比地球周圍的效應強約 1 億倍。即便如此，起初，天文學家幾乎沒有注意到它。在近二十年的使用澳大利亞帕克斯天文臺和 UTMOST 射電望遠鏡的觀測中，2015 年 PSR J1141-6545 脈衝的計時顯示，該系統的軌道引數出現了一個小的“漂移”，最初似乎無法解釋。即使在包括了所有先前探測到的可能微調白矮星和脈衝星運動的相對論效應之後，文卡特拉曼·克里希南和他的同事們仍然無法解釋這種漂移。“我們真的很興奮，因為這意味著要麼是資料或我們的分析出了問題——要麼是它預示著廣義相對論以外的新物理學，”文卡特拉曼·克里希南說。
在這種情況下——與之前的所有其他情況一樣——愛因斯坦的理論最終戰勝了關於突破性物理學的推測。“當 [文卡特拉曼·克里希南] 允許 [脈衝星的] 軌道平面改變其方向時，他有了一個頓悟時刻——我們之前假設軌道平面在空間中是固定的，”澳大利亞斯威本科技大學的天文學家馬修·貝利斯說，自近 20 年前他首次構思以來，他一直領導著這項密集的監測活動。“突然之間，很明顯，軌道正在以這種系統中前所未有的速度在空間中翻滾。”
這種翻滾——在技術上稱為軌道進動——來自框架拖曳（結合了眾所周知的自旋引起的脈衝星近乎完美的球形形狀的偏差的經典效應，這稍微改變了其引力場）。換句話說，漂移部分是由於脈衝星在圍繞其白矮星伴星的時空漩渦中被拖曳時翻滾造成的。
但是，這種情況需要白矮星非常快速地旋轉——記住蜂蜜中的高爾夫球——可能每分鐘超過一次。這個速度將比標準白矮星-脈衝星雙星形成模型中可以解釋的速度更快。這種系統最初是兩顆普通的恆星。其中一顆首先作為超新星爆炸形成脈衝星，然後透過從其伴星虹吸氣體而加速旋轉到非常高的自轉速率，將伴星轉變為一顆緩慢旋轉的白矮星。對於 PSR J1141-6545，情況肯定相反，白矮星首先形成，並透過從即將成為超新星的脈衝星前身那裡竊取氣體而加速旋轉。在一系列複雜的計算中，最終進行了 7000 萬次超新星爆炸模擬，丹麥奧胡斯大學的研究合著者托馬斯·陶里斯檢驗了這個過程，找到了兩個原始恆星的質量和軌道的狹窄但合理的範圍，這將導致 PSR J1141-6545 系統的形成。
“當觀察員聯絡我並詢問我是否可以嘗試模擬這個系統時，我立刻被吸引住了，”陶里斯說。“我非常興奮，檢驗愛因斯坦的引力理論與最先進的雙星建模齊頭並進。”
儘管這種分析可能看起來像迷宮一樣錯綜複雜且間接，但它令人信服地與 PSR J1141-6545 的發現者最初試圖解釋該系統奇異特徵時所做的早期工作相吻合。麥吉爾大學天文學家維多利亞·卡斯皮說，這項新研究的結論“非常引人注目”，她沒有參與這篇論文，並且在 1999 年使用帕克斯射電望遠鏡發現了該系統。“脈衝星計時觀測和資料分析是專業完成的，該團隊還將這項工作與有趣的雙星演化模擬相結合。此外，他們還發現了對我們早在發現這個不尋常系統時所提出的 [形成] 情景的良好證實。這當然是非常令人欣慰的——很高興看到自己的預測得到驗證！”
文卡特拉曼·克里希南說，未來，對其他由兩顆脈衝星組成的雙星系統進行的類似計時研究也可能揭示相對論性框架拖曳，這反過來可能有助於確定這些脈衝星的確切大小——這是一個至關重要的測量，將揭示關於其神秘內部的新資訊。“有很多理論，但我們真的不知道中子星內部的物質會發生什麼。那裡的密度遠大於你在實驗室中可以達到的任何密度。透過進一步測量 [雙脈衝星系統]，這可能是我們可能幫助推斷出的東西。”
就目前而言，以越來越嚴格的審查來檢驗廣義相對論的探索仍在繼續，最新的天體物理學案例再次證實了愛因斯坦的理論。“在觀察了二十年後，能夠將這一切結合起來真是太好了，”貝利斯說。“像科學中的許多結果一樣，事後看來，這並不令人驚訝。但它很美妙。”