在过去的二十年里，天文学家一直在利用一个位于数千光年之外，朝向南十字星座方向的绝佳天体实验室来检验爱因斯坦的广义相对论。
这个实验室于 1999 年被发现，由两个恒星重量级天体组成，它们被锁定在一个精心设计的轨道舞蹈中：一颗白矮星——一颗正在缓慢冷却的地球大小的灰烬，是一颗蒸发恒星留下的遗迹——围绕着一颗名为 PSR J1141-6545 的脉冲星旋转——一颗快速旋转、超高密度、城市大小的中子星，由灾难性的超新星爆炸产生。每一个都将其整个太阳的等效质量压缩到其紧凑的框架中。这种耦合不太可能发生，但在整个星系中相对而言并不罕见，但这一次特别特殊：白矮星位于一个极其接近的轨道上，经历着大约五个小时的“一年”，并以高达每小时一百万公里的速度围绕着稍微重一点的伴星飞驰，而伴星本身则以每秒两倍以上的速度旋转。
对于研究广义相对论的科学家来说，这个系统简直是天作之合。阿尔伯特·爱因斯坦最成功的理论产生的各种奇异现象在其极端引力条件下显露出它们的“相对论”特性。天文学家使用射电望远镜可以精确地测量它们，这要归功于这些效应在脉冲星的节拍脉冲上留下的微小偏差。例如，这种“脉冲星计时”测量表明，时间膨胀正在扭曲 PSR J1141-6545 的视自转速率，并且由于大量引力波的发射，白矮星的轨道正在逐渐衰减——所有这些都与预测相符。现在，一个研究团队已经成功地探测到另一个爱因斯坦式的怪异现象：相对论性框架拖曳——也称为 Lense-Thirring 效应，以纪念一个多世纪前预测它的理论家——其中一个快速旋转的物体会使其周围的时空结构旋转。该研究结果于 1 月 30 日在科学杂志上发表。
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“想象一下，你有一碗蜂蜜，你把一个高尔夫球和一些食用色素放进去，”德国波恩马克斯·普朗克射电天文学研究所的首席研究作者维韦克·文卡特拉曼·克里希南说。“如果你非常快速地扭动高尔夫球，蜂蜜也会旋转，并拖动食用色素一起旋转。在这种情况下，旋转的球是白矮星，蜂蜜是时空曲率，食用色素是脉冲星。”
PSR J1141-6545 双星系统的艺术家描绘图，由一颗围绕快速旋转的白矮星运行的中子星组成。白矮星的自转拖动着周围的时空结构，导致轨道在空间中翻滚。
研究人员以前曾探测到相对论性框架拖曳，测量了其对在地球自转时穿过地球引力场的卫星实验的极小影响。但这是首次在宇宙中的其他地方如此清晰地看到其微妙的影响——在这个奇异的系统中，框架拖曳效应比地球周围的效应强约 1 亿倍。即便如此，起初，天文学家几乎没有注意到它。在近二十年的使用澳大利亚帕克斯天文台和 UTMOST 射电望远镜的观测中，2015 年 PSR J1141-6545 脉冲的计时显示，该系统的轨道参数出现了一个小的“漂移”，最初似乎无法解释。即使在包括了所有先前探测到的可能微调白矮星和脉冲星运动的相对论效应之后，文卡特拉曼·克里希南和他的同事们仍然无法解释这种漂移。“我们真的很兴奋，因为这意味着要么是数据或我们的分析出了问题——要么是它预示着广义相对论以外的新物理学，”文卡特拉曼·克里希南说。
在这种情况下——与之前的所有其他情况一样——爱因斯坦的理论最终战胜了关于突破性物理学的推测。“当 [文卡特拉曼·克里希南] 允许 [脉冲星的] 轨道平面改变其方向时，他有了一个顿悟时刻——我们之前假设轨道平面在空间中是固定的，”澳大利亚斯威本科技大学的天文学家马修·贝利斯说，自近 20 年前他首次构思以来，他一直领导着这项密集的监测活动。“突然之间，很明显，轨道正在以这种系统中前所未有的速度在空间中翻滚。”
这种翻滚——在技术上称为轨道进动——来自框架拖曳（结合了众所周知的自旋引起的脉冲星近乎完美的球形形状的偏差的经典效应，这稍微改变了其引力场）。换句话说，漂移部分是由于脉冲星在围绕其白矮星伴星的时空漩涡中被拖曳时翻滚造成的。
但是，这种情况需要白矮星非常快速地旋转——记住蜂蜜中的高尔夫球——可能每分钟超过一次。这个速度将比标准白矮星-脉冲星双星形成模型中可以解释的速度更快。这种系统最初是两颗普通的恒星。其中一颗首先作为超新星爆炸形成脉冲星，然后通过从其伴星虹吸气体而加速旋转到非常高的自转速率，将伴星转变为一颗缓慢旋转的白矮星。对于 PSR J1141-6545，情况肯定相反，白矮星首先形成，并通过从即将成为超新星的脉冲星前身那里窃取气体而加速旋转。在一系列复杂的计算中，最终进行了 7000 万次超新星爆炸模拟，丹麦奥胡斯大学的研究合著者托马斯·陶里斯检验了这个过程，找到了两个原始恒星的质量和轨道的狭窄但合理的范围，这将导致 PSR J1141-6545 系统的形成。
“当观察员联系我并询问我是否可以尝试模拟这个系统时，我立刻被吸引住了，”陶里斯说。“我非常兴奋，检验爱因斯坦的引力理论与最先进的双星建模齐头并进。”
尽管这种分析可能看起来像迷宫一样错综复杂且间接，但它令人信服地与 PSR J1141-6545 的发现者最初试图解释该系统奇异特征时所做的早期工作相吻合。麦吉尔大学天文学家维多利亚·卡斯皮说，这项新研究的结论“非常引人注目”，她没有参与这篇论文，并且在 1999 年使用帕克斯射电望远镜发现了该系统。“脉冲星计时观测和数据分析是专业完成的，该团队还将这项工作与有趣的双星演化模拟相结合。此外，他们还发现了对我们早在发现这个不寻常系统时所提出的 [形成] 情景的良好证实。这当然是非常令人欣慰的——很高兴看到自己的预测得到验证！”
文卡特拉曼·克里希南说，未来，对其他由两颗脉冲星组成的双星系统进行的类似计时研究也可能揭示相对论性框架拖曳，这反过来可能有助于确定这些脉冲星的确切大小——这是一个至关重要的测量，将揭示关于其神秘内部的新信息。“有很多理论，但我们真的不知道中子星内部的物质会发生什么。那里的密度远大于你在实验室中可以达到的任何密度。通过进一步测量 [双脉冲星系统]，这可能是我们可能帮助推断出的东西。”
就目前而言，以越来越严格的审查来检验广义相对论的探索仍在继续，最新的天体物理学案例再次证实了爱因斯坦的理论。“在观察了二十年后，能够将这一切结合起来真是太好了，”贝利斯说。“像科学中的许多结果一样，事后看来，这并不令人惊讶。但它很美妙。”