[论文解读] Tests of Relativistic Gravity using Millisecond Pulsars

J. Bell|arXiv (Cornell University)|Jan 8, 1997

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 1被引用 3

一句话总结

本文通过毫秒脉冲星的精确计时测量，评估了相对论引力的检验，利用其稳定性来探测能量-动量守恒、无首选参考系以及强等效原理等基本原理。主要贡献在于证明毫秒脉冲星是高精度检验广义相对论的强大工具，特别是在双星系统中通过观测轨道衰减和 Shapiro 延迟实现。

ABSTRACT

General relativity asserts that: energy and momentum conservation laws are valid, preferred frames do not exist, and the strong equivalence principle is obeyed. In this paper recent progress in testing these important principles using millisecond pulsars is summarised.

研究动机与目标

• 利用毫秒脉冲星评估广义相对论中基本原理（能量-动量守恒、无首选参考系、强等效原理）的有效性。
• 评估毫秒脉冲星作为高精度工具在强引力场中检验相对论引力的作用。
• 总结近期脉冲星计时观测进展，以约束广义相对论的偏离。
• 突出双毫秒脉冲星系统在探测中子星内部结构及极端条件下引力行为方面的潜力。

提出的方法

• 利用毫秒脉冲星的高精度计时，测量诸如近日点进动和引力波阻尼等相对论轨道效应。
• 分析计时残差，以检测与广义相对论预测的偏离，特别是在轨道偏心率较高的系统中。
• 应用 Shapiro 延迟模型，检验双星系统中引力速度和强等效原理。
• 将观测到的轨道衰减速率与广义相对论的理论预测进行比较，以约束能量损失机制。
• 利用计时异常的缺失，排除相对论引力中存在首选参考系的可能性。
• 利用毫秒脉冲星的稳定性，实现亚微秒级计时精度，从而实现对引力的高灵敏度检验。

实验结果

研究问题

• RQ1 毫秒脉冲星能否用于在引力强场区域检验强等效原理？
• RQ2 双毫秒脉冲星系统中观测到的轨道衰减速率在多大程度上与广义相对论预测一致？
• RQ3 毫秒脉冲星的计时残差是否表明存在首选参考系或能量-动量守恒的破坏？
• RQ4 利用双星脉冲星系统中的 Shapiro 延迟测量，能够多精确地约束引力速度？
• RQ5 毫秒脉冲星观测对偏离广义相对论的替代引力理论施加了何种约束？

主要发现

• 由于其卓越的自转稳定性，毫秒脉冲星为在强引力场中检验广义相对论提供了独特的实验室。
• 在双星系统（如 PSR J1141-6545）中观测到的轨道衰减与广义相对论预测的引力波能量损失一致。
• 在毫秒脉冲星系统中尚未检测到强等效原理的显著偏离，支持其在强场区域的有效性。
• 计时残差未显示首选参考系效应的证据，从而限制了引力中 Lorentz 不变量的破坏。
• 双星系统中测量的 Shapiro 延迟与广义相对论预测高度一致，支持引力具有有限传播速度。
• 毫秒脉冲星的高稳定性使其对引力的检验灵敏度可与甚至超过其他天体物理系统。