Phoebe Newman 
Naukowcy przeprowadzili 16-letni eksperyment, aby zakwestionować ogólną teorię względności Einsteina. Międzynarodowy zespół przyglądał się gwiazdom – parze ekstremalnych gwiazd zwanych pulsarami, aby być precyzyjnym – przez siedem radioteleskopów na całym świecie. Źródło: Instytut Radioastronomii im. Maxa Plancka
Minęło ponad sto lat, odkąd Einstein sformalizował swoją ogólną teorię względności (GR), geometryczną teorię grawitacji, która zrewolucjonizowała nasze rozumienie Wszechświata. A jednak astronomowie wciąż poddają go rygorystycznym testom, mając nadzieję na znalezienie odchyleń od tej ustalonej teorii. Powód jest prosty: wszelkie wskazania fizyki poza GR otworzyłyby nowe okna na wszechświat i pomogłyby rozwiązać niektóre z najgłębszych tajemnic kosmosu.
Jeden z najbardziej rygorystycznych testów w historii został niedawno przeprowadzony przez międzynarodowy zespół kierowanych astronomów przez Michaela Kramera z Instytutu Radioastronomii im. Maxa Plancka (MPIfR) w Bonn w Niemczech. Korzystając z siedmiu radioteleskopów z całego świata, Kramer i jego koledzy obserwowali unikalną parę pulsarów przez 16 lat. W tym procesie po raz pierwszy zaobserwowali efekty przewidywane przez GR, a z dokładnie co najmniej 99,99%!
Oprócz badaczy z MPIfR do Kramera i jego współpracowników dołączyli badacze z instytucji z dziesięciu różnych krajów – w tym z Centrum Astrofizyki Jodrell Bank (Wielka Brytania), Centrum Doskonałości Odkrywania Fal Grawitacyjnych (Australia), Perimeter Institute Fizyki Teoretycznej (Kanada), Obserwatorium Paryskiego (Francja), Osservatorio Astronomico di Cagliari (Włochy), Południowoafrykańskiego Obserwatorium Astronomicznego (SARAO), Holenderskiego Instytutu Radioastronomii (ASTRON) oraz Obserwatorium Arecibo.
Pulsary to szybko wirujące gwiazdy neutronowe, które emitują wąskie, zamaszyste wiązki fal radiowych. Źródło: NASA Goddard Space Flight Center
Pulsary radiowe to specjalna klasa szybko obracających się, silnie namagnesowanych gwiazd neutronowych. Te supergęste obiekty emitują silne wiązki radiowe ze swoich biegunów, które (w połączeniu z ich szybkim obrotem) tworzą efekt stroboskopowy przypominający latarnię morską. Astronomowie są zafascynowani pulsarami, ponieważ dostarczają wielu informacji na temat fizyki rządzącej ultrakompaktowymi obiektami, polami magnetycznymi, ośrodkiem międzygwiazdowym (ISM), fizyką planetarną, a nawet kosmologią.
Ponadto zaangażowane ekstremalne siły grawitacyjne pozwalają astronomom testować przewidywania oparte na teoriach grawitacyjnych, takich jak GR i Zmodyfikowana dynamika Newtona (MOND) w najbardziej ekstremalnych warunkach, jakie można sobie wyobrazić. Na potrzeby swoich badań Kramer i jego zespół zbadali PSR J0737-3039 A/B, system „Double Pulsar” znajdujący się 2400 lat świetlnych od Ziemi w konstelacja szczeniaka.
Ten system jest jedynym radiem pulsar binarny kiedykolwiek zaobserwowany i został odkryty w 2003 roku przez członków zespołu badawczego. Dwa pulsary tworzące ten układ obracają się szybko – 44 razy na sekundę (A), raz na 2,8 sekundy (B) – i okrążają się nawzajem w okresie zaledwie 147 minut. Chociaż są o około 30% masywniejsze od Słońca, mierzą tylko około 24 km (15 mil) średnicy. Stąd ich ekstremalne przyciąganie grawitacyjne i intensywne pola magnetyczne.
Oprócz tych właściwości, szybki okres orbitalny tego układu sprawia, że jest on niemal idealnym laboratorium do testowania teorii grawitacji. Jak prof. Kramer powiedział w niedawnym komunikacie prasowym MPIfR:
„Zbadaliśmy system kompaktowych gwiazd, który jest niezrównanym laboratorium do testowania teorii grawitacji w obecności bardzo silnych pól grawitacyjnych. Ku naszej radości udało nam się przetestować kamień węgielny teorii Einsteina, energię przenoszoną przez fale grawitacyjne, z precyzją 25 razy lepszą niż w przypadku nagrodzonego Nagrodą Nobla pulsarem Hulse-Taylor i 1000 razy lepszą niż obecnie możliwa dzięki detektorom fal grawitacyjnych.”
Wrażenie artysty na temat ścieżki gwiazdy S2 przechodzącej bardzo blisko Sagittarius A*, co pozwala również astronomom testować przewidywania Ogólne Teorii Względności w ekstremalnych warunkach. Źródło: ESO/M. Kornmesser
W 16-letniej kampanii obserwacyjnej wykorzystano siedem radioteleskopów, w tym radioteleskop Parkes (Australia), teleskop Green Bank (USA), radioteleskop Nançay (Francja), 100-metrowy teleskop Effelsberg (Niemcy), Lovell Radio Telescope (Wielka Brytania), Westerbork Synthesis Radio Telescope (Holandia) i Very Long Baseline Array (USA).
Obserwatoria te obejmowały różne części widma radiowego, od 334 MHz i 700 MHz do 1300 – 1700 MHz, 1484 MHz i 2520 MHz. W ten sposób byli w stanie zobaczyć, jak silne przyciąganie grawitacyjne wpłynęło na fotony pochodzące z tego podwójnego pulsara. Jako współautor badania prof. Ingrid Stairs z University of British Columbia (UBC) w Vancouver wyjaśniła:
„Śledzimy propagację fotonów radiowych emitowanych z kosmicznej latarni morskiej, pulsara, i śledzimy ich ruch w silnym polu grawitacyjnym pulsara towarzyszącego. Po raz pierwszy widzimy, jak światło jest nie tylko opóźnione z powodu silnej krzywizny czasoprzestrzeni wokół towarzysza, ale także, że światło jest odchylane o mały kąt 0,04 stopnia, który możemy wykryć. Nigdy wcześniej takiego eksperymentu nie przeprowadzono przy tak dużej krzywiźnie czasoprzestrzeni”.
Jako współautor prof. Dick Manchester z australijskiej organizacji Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation (CSIRO) dodał, że szybki ruch orbitalny takich zwartych obiektów pozwolił im przetestować siedem różnych przewidywań GR. Należą do nich fale grawitacyjne, propagacja światła (opóźnienie Shapiro i zginanie światła), dylatacja czasu, równoważność masy i energii (E=mc2) i jaki wpływ ma promieniowanie elektromagnetyczne na ruch orbitalny pulsara.
Teleskop Roberta C. Byrda Green Bank (GBT) w Zachodniej Wirginii. Źródło: GBO/AUI/NSF
„To promieniowanie odpowiada utracie masy 8 milionów ton na sekundę!” powiedział. „Chociaż wydaje się to dużo, to tylko maleńki ułamek – 3 części na tysiąc miliardów miliardów(!) – masy pulsara na sekundę.” Naukowcy dokonali również niezwykle precyzyjnych pomiarów zmian orientacji orbity pulsarów, efektu relatywistycznego, który po raz pierwszy zaobserwowano na orbicie Merkurego – a jedna z tajemnic pomogła rozwiązać teoria GR Einsteina.
Tylko tutaj efekt był 140 000 razy silniejszy, co pozwoliło zespołowi zdać sobie sprawę, że należy również wziąć pod uwagę wpływ rotacji pulsara na otaczającą czasoprzestrzeń – czyli inaczej. efekt Lens-Thirring lub „przeciąganie ramki”. Jak dr. Norbert Wex z MPIfR, inny główny autor badania, pozwolił na kolejny przełom:
„W naszym eksperymencie oznacza to, że musimy rozważyć wewnętrzną strukturę pulsara jako gwiazda neutronowa. Dlatego nasze pomiary pozwalają nam po raz pierwszy wykorzystać precyzyjne śledzenie rotacji gwiazdy neutronowej, technikę, którą nazywamy taktowaniem pulsarów, aby zapewnić ograniczenia rozszerzania się gwiazdy neutronowej”.
Kolejnym cennym wnioskiem z tego eksperymentu był sposób, w jaki zespół połączył uzupełniające się techniki obserwacyjne, aby uzyskać bardzo dokładne pomiary odległości. Podobne badania były często utrudnione przez słabo ograniczone szacunki odległości w przeszłości. Łącząc technikę pomiaru czasu pulsarów z dokładnymi pomiarami interferometrycznymi (i efektami ISM), zespół uzyskał wynik wysokiej rozdzielczości 2400 lat świetlnych z 8% marginesem błędu.
Ilustracja artystyczna przedstawiająca dwie łączące się gwiazdy neutronowe. Wąskie wiązki reprezentują rozbłysk gamma, podczas gdy falująca siatka czasoprzestrzenna wskazuje na izotropowe fale grawitacyjne, które charakteryzują połączenie. Źródło: NSF/LIGO/Sonoma State University/A. Simonnet
Ostatecznie wyniki zespołu były nie tylko zgodne z GR, ale także byli w stanie zobaczyć efekty, których wcześniej nie można było zbadać. Jak Paulo Freire, inny współautor badania (a także z MPIfR), wyraził:
„Nasze wyniki doskonale uzupełniają inne badania eksperymentalne, które testują grawitację w innych warunkach lub widzą różne efekty, takie jak detektory fal grawitacyjnych lub Teleskop Event Horizon. Uzupełniają one również inne eksperymenty z pulsarami, takie jak nasz eksperyment czasowy z pulsarem w gwiezdnym układzie potrójnym, który dostarczył niezależnego (i doskonałego) testu uniwersalności swobodnego spadania”.
„Osiągnęliśmy poziom precyzji, który jest osiągany” – prof. Kramer podsumował. „Przyszłe eksperymenty z jeszcze większymi teleskopami mogą i pójdą jeszcze dalej. Nasza praca pokazała, w jaki sposób należy przeprowadzać takie eksperymenty i jakie subtelne efekty należy teraz wziąć pod uwagę. I być może pewnego dnia znajdziemy odstępstwo od ogólnej teorii względności”.
Artykuł opisujący ich badania ukazał się niedawno w czasopiśmie Przegląd fizyczny X,
Pierwotnie opublikowany Wszechświat dzisiaj.
Więcej informacji na temat tego badania:
Odniesienie: „Strong-field Gravity Tests with the Double Pulsar” autorstwa M. Kramera i in., 13 grudnia 2021 r., Przegląd fizyczny X.
DOI: 10.1103/PhysRevX.11.041050
