Je to už viac ako sto rokov, čo Einstein formalizoval svoju teóriu všeobecnej relativity (GR), geometrickú teóriu gravitácie, ktorá spôsobila revolúciu v našom chápaní vesmíru. Astronómovia sú však stále podrobovaní prísnym testom v nádeji, že nájdu odchýlky od tejto dobre zavedenej teórie. Dôvod je jednoduchý: každý indikátor fyziky mimo GR by otvoril nové okná vesmíru a pomohol vyriešiť niektoré z hlbších záhad o vesmíre.

Jeden z najprísnejších testov vôbec nedávno vykonal medzinárodný tím astronómov pod vedením Michaela Kramera z Inštitútu Maxa Plancka pre rádiovú astronómiu (MPIfR) v Bonne v Nemecku. Pomocou siedmich rádioteleskopov z celého sveta Kramer a jeho kolegovia pozoroval jedinečný pár pulzarov už 16 rokov. V tomto procese po prvýkrát pozorovali účinky predpovedané GR zdravie Aspoň 99,99%!

Okrem výskumníkov z MPIfR sa ku Kramerovi a jeho kolegom pripojili výskumníci z inštitúcií v desiatich rôznych krajinách – vrátane Jodrell Bank Center for Astrophysics (Spojené kráľovstvo), ARC Center of Excellence for Gravitational Wave Detection (Austrália) a oceánu. inštitútu. Pre teoretickú fyziku (Kanada), Parížske observatórium (Francúzsko), Osservatorio Astronomico di Cagliari (Taliansko), Juhoafrické rádioastronomické observatórium (SARAO), Holandský inštitút pre rádiovú astronómiu (ASTRON) a Observatórium Arecibo.

Pulzary sú rýchlo rotujúce neutrónové hviezdy, ktoré vyžarujú široké úzke lúče rádiových vĺn. Poďakovanie: Goddard Space Flight Center NASA

„Rádiové pulzary“ sú špeciálna trieda rýchlo rotujúcich neutrónových hviezd, ktoré sú vysoko magnetické. Tieto ultrahusté objekty vyžarujú zo svojich pólov silné rádiové lúče, ktoré (v kombinácii s ich rýchlou rotáciou) vytvárajú silný efekt podobný majáku. Astronómovia sú fascinovaní pulzarmi, pretože poskytujú množstvo informácií o fyzike, ktorá riadi ultramalé objekty, magnetické polia, medzihviezdne médium (ISM), planetárnu fyziku a dokonca aj kozmológiu.

Intenzívne gravitačné sily navyše umožňujú astronómom testovať predpovede gravitačných teórií, ako sú GR a Modifikovaná newtonovská dynamika (MOND) za tých najtvrdších podmienok, aké si možno predstaviť. Pre svoju štúdiu Kramer a jeho tím skúmali PSR J0737-3039 A/B, systém „dvojitej hviezdy“, ktorý sa nachádza 2 400 svetelných rokov od Zeme v r. Súhvezdie Puppis.

Tento systém je jediným rádiom pulzar binary ever a bol objavený v roku 2003 členmi výskumného tímu. Dva pulzary, ktoré tvoria tento systém, majú rýchle otáčky – 44-krát za sekundu (A), raz za 2,8 sekundy (B) – a obiehajú okolo seba iba 147 minút. Aj keď je asi o 30 % väčší ako Slnko, má len asi 24 km (15 mi) v priemere. Preto jeho intenzívna gravitácia a intenzívne magnetické polia.

Okrem týchto vlastností, rýchla orbitálna perióda tohto systému z neho robí takmer dokonalé laboratórium na testovanie gravitačných teórií. Ako povedal profesor Kramer v nedávnej tlačovej správe pre MPIfR:

„Študovali sme systém stlačených hviezd a sme bezkonkurenčným laboratóriom na testovanie teórií gravitácie v prítomnosti veľmi silných gravitačných polí. Na naše potešenie sa nám podarilo otestovať základný kameň Einsteinovej teórie, energiu, ktorú nesie gravitačné vlnys presnosťou 25-krát lepšou ako má pulzar Hulse-Taylor, ocenený Nobelovou cenou, a 1000-krát lepšou, ako je v súčasnosti možné pomocou detektorov gravitačných vĺn.“

Umelcov dojem z dráhy hviezdy S2 prechádzajúcej v blízkosti Sagittarius A*, čo tiež umožňuje astronómom testovať predpovede všeobecnej teórie relativity v extrémnych podmienkach. Poďakovanie: ESO/M. Kornmeiser

Na 16-ročnú pozorovaciu kampaň bolo použitých sedem rádioteleskopov, vrátane Parkes Radio Telescope (Austrália), Green Bank Telescope (USA), Nansai Radio Telescope (Francúzsko), Eiffelberg 100m Telescope (Nemecko), Lovell Radio Telescope (Kingdom United), Westerbork Synthesis Radio Telescope (Holandsko) a Very Long Core Array (USA).

Tieto observatóriá pokrývali rôzne časti rádiového spektra v rozsahu od 334 MHz a 700 MHz po 1300 – 1700 MHz, 1484 MHz a 2520 MHz. Pritom mohli vidieť, ako fotóny pochádzajúce z tohto binárneho pulzaru ovplyvnila jeho silná gravitácia. Ako vysvetlila profesorka Ingrid Stiers z University of British Columbia (UBC) vo Vancouveri, spoluautorka štúdie:

„Sledujeme šírenie rádiových fotónov vyžarovaných kozmickým majákom, pulzarom, a sledujeme ich pohyb v silnom gravitačnom poli sprievodného pulzaru. Prvýkrát vidíme, ako sa svetlo oneskoruje nielen silným zakrivením vesmír- čas okolo spoločníka, ale aj to, že svetlo je vychýlené o malý uhol 0,04 stupňa. Môžeme ich objav. Takýto experiment sa nikdy predtým nerobil v takom vysokom zakrivení časopriestoru.“

Ako dodal spoluautor profesor Dick Manchester z austrálskej organizácie Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization (CSIRO), rýchly orbitálny pohyb kompaktných objektov, ako sú tieto, im umožnil otestovať sedem rôznych predpovedí o GR. Patria sem gravitačné vlny, šírenie svetla („Shapiro’s delay and light bending), dilatácia času a rovnica hmotnosti a energie (E = mc).²), a aký je vplyv elektromagnetického žiarenia na orbitálny pohyb pulzaru.

Robert C. Bird Green Bank Telescope (GBT) v Západnej Virgínii. Kredit: GBO/AUI/NSF

„Toto žiarenie sa rovná kolektívnej strate 8 miliónov ton za sekundu!“ Povedal. „Hoci to znie ako veľa, je to nepatrný zlomok – 3 častice na tisíc miliárd (!) – hmotnosti pulzaru za sekundu.“ Výskumníci tiež vykonali veľmi presné merania zmien orbitálnej orientácie pulzarov, čo je relativistický efekt, ktorý bol prvýkrát pozorovaný pri orbite Merkúra – a jedna zo záhad, ktoré pomohla vyriešiť Einsteinova teória GR.

Iba tu bol účinok 140 000-krát silnejší, čo viedlo tím k tomu, že si uvedomil, že je potrebné zvážiť aj vplyv rotácie pulzaru na okolitý časopriestor – alias. Lense-Thirring efekt alebo „pretiahnuť rám“. Dr. Norbert Weeks z MPIfR, ďalší hlavný autor štúdie, tiež umožnil ďalší prelom:

„To podľa našich skúseností znamená, že vnútornú štruktúru pulzaru musíme považovať za a neutrónová hviezda. Naše merania nám teda po prvýkrát umožňujú použiť presné sledovanie cyklov neutrónových hviezd, čo je technika, ktorú nazývame časovanie pulzarov, aby sme obmedzili rozšírenie neutrónovej hviezdy.“

Ďalším cenným výsledkom tohto experimentu bolo, ako tím skombinoval doplnkové monitorovacie techniky na získanie vysoko presných meraní vzdialenosti. Podobné štúdie boli v minulosti často brzdené zlými odhadmi vzdialenosti. Kombináciou technológie časovania pulzaru s presnými meraniami interferometrie (a efektmi ISM) tím získal výsledok s vysokým rozlíšením 2 400 svetelných rokov s 8% chybou.

Umelcova ilustrácia dvoch spájajúcich sa neutrónových hviezd. Úzke lúče predstavujú záblesk gama žiarenia, zatiaľ čo zvlnená časopriestorová mriežka označuje opačné gravitačné vlny, ktoré charakterizujú zlúčenie. Kredit: NSF/LIGO/Sonoma State University/A. Simonet

Nakoniec nielenže boli výsledky tímu v súlade s GR, ale boli tiež schopní vidieť účinky, ktoré predtým nebolo možné skúmať. Ako Paulo Freire, ďalší spoluautor štúdie (tiež z MPIfR) vyjadril:

„Naše výsledky dobre dopĺňajú ďalšie experimentálne štúdie, ktoré testujú gravitáciu v iných podmienkach alebo vidia rôzne efekty, ako sú detektory gravitačných vĺn alebo ďalekohľad Event Horizon Telescope. Dopĺňajú aj ďalšie experimenty s pulzarmi, ako je náš experiment s časovaním s pulzarom v trojhviezdnom systéme.“ , ktorý poskytol nezávislý (a fascinujúci) test univerzálnosti voľného pádu.“

„Dosiahli sme bezprecedentnú úroveň presnosti,“ uzavrel profesor Kramer. Budúce experimenty s väčšími teleskopmi by mohli a budú pokračovať ďalej. Naša práca ukázala spôsob, akým by sa takéto experimenty mali vykonávať a ktoré presné účinky je teraz potrebné vziať do úvahy. Možno jedného dňa nájdeme odchýlku od všeobecnej teórie relativity.“

V časopise sa nedávno objavil dokument popisujúci ich výskum X . fyzický prehľadA

Pôvodne uverejnené v vesmír dnes.

Ak sa chcete dozvedieť viac o tomto výskume:

Odkaz: „Testy gravitácie v silnom poli s použitím dvojitej hviezdy“ od M. Kramera a kol. 13. december 2021, X . fyzický prehľad.
DOI: 10.1103/ PhysRevX.11.041050