Οι ερευνητές διεξήγαγαν ένα πείραμα 16 ετών για να αμφισβητήσουν τη γενική θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν. Η διεθνής ομάδα εξέτασε τα αστέρια – ένα ζευγάρι ακραίων αστέρων που ονομάζονται πάλσαρ – μέσω επτά ραδιοτηλεσκοπίων σε όλο τον κόσμο. Πιστοποίηση: Ινστιτούτο Max Planck για Ραδιοαστρονομία
Έχουν περάσει περισσότερα από εκατό χρόνια από τότε που ο Αϊνστάιν επισημοποίησε τη θεωρία της γενικής σχετικότητας (GR), τη γεωμετρική θεωρία της βαρύτητας που έχει φέρει επανάσταση στην κατανόησή μας για το σύμπαν. Ωστόσο, οι αστρονόμοι εξακολουθούν να υποβάλλονται σε αυστηρές δοκιμές, ελπίζοντας να βρουν αποκλίσεις από αυτή την καθιερωμένη θεωρία. Ο λόγος είναι απλός: οποιοσδήποτε δείκτης της φυσικής πέρα από την GR θα άνοιγε νέα παράθυρα στο σύμπαν και θα βοηθούσε στην επίλυση ορισμένων από τα βαθύτερα μυστήρια για το σύμπαν.
Ένα από τα πιο αυστηρά τεστ που έγιναν ποτέ πραγματοποιήθηκε πρόσφατα από μια διεθνή ομάδα αστρονόμων με επικεφαλής τον Michael Kramer του Ινστιτούτου Max Planck για τη Ραδιοαστρονομία (MPIfR) στη Βόννη της Γερμανίας. Χρησιμοποιώντας επτά ραδιοτηλεσκόπια από όλο τον κόσμο, ο Kramer και οι συνεργάτες του παρατήρησαν ένα μοναδικό ζεύγος πάλσαρ για 16 χρόνια. Στην πορεία, παρατήρησαν τα αποτελέσματα που προέβλεπαν οι GR για πρώτη φορά, και με υγεία Τουλάχιστον 99,99%!
Εκτός από τους ερευνητές από το MPIfR, ο Kramer και οι συνάδελφοί του προστέθηκαν από ερευνητές από ιδρύματα σε δέκα διαφορετικές χώρες – συμπεριλαμβανομένου του Jodrell Bank Center for Astrophysics (UK), του ARC Center of Excellence for Gravitational Wave Detection (Αυστραλία) και του Ωκεανού Ινστιτούτο. Για τη Θεωρητική Φυσική (Καναδάς), το Παρατηρητήριο του Παρισιού (Γαλλία), το Osservatorio Astronomico di Cagliari (Ιταλία), το Παρατηρητήριο Ραδιοαστρονομίας της Νότιας Αφρικής (SARAO), το Ολλανδικό Ινστιτούτο Ραδιοαστρονομίας (ASTRON) και το Αστεροσκοπείο Arecibo.
Τα πάλσαρ είναι αστέρες νετρονίων που περιστρέφονται γρήγορα και εκπέμπουν σαρωτικές στενές δέσμες ραδιοκυμάτων. Πίστωση: Κέντρο Διαστημικών Πτήσεων Goddard της NASA
Τα “ραδιο πάλσαρ” είναι μια ειδική κατηγορία ταχέως περιστρεφόμενων αστέρων νετρονίων που είναι εξαιρετικά μαγνητικά. Αυτά τα εξαιρετικά πυκνά αντικείμενα εκπέμπουν ισχυρές ακτίνες ραδιοφώνου από τους πόλους τους που (όταν συνδυάζονται με την ταχεία περιστροφή τους) δημιουργούν ένα ισχυρό εφέ σαν φάρο. Οι αστρονόμοι γοητεύονται από τα πάλσαρ επειδή παρέχουν πλήθος πληροφοριών σχετικά με τη φυσική που διέπει τα εξαιρετικά μικρά αντικείμενα, τα μαγνητικά πεδία, το διαστρικό μέσο (ISM), την πλανητική φυσική, ακόμη και την κοσμολογία.
Επιπλέον, οι έντονες βαρυτικές δυνάμεις επιτρέπουν στους αστρονόμους να δοκιμάσουν προβλέψεις που γίνονται από βαρυτικές θεωρίες όπως η GR και Τροποποιημένη Νευτώνεια Δυναμική (MOND) κάτω από μερικές από τις πιο σκληρές συνθήκες που μπορεί κανείς να φανταστεί. Για τη μελέτη τους, ο Kramer και η ομάδα του εξέτασαν το PSR J0737-3039 A/B, ένα σύστημα «διπλού αστέρα» που βρίσκεται 2.400 έτη φωτός από τη Γη στο Αστερισμός κουταβιών.
Αυτό το σύστημα είναι το μόνο ραδιόφωνο πάλσαρ binary ever και ανακαλύφθηκε το 2003 από μέλη της ερευνητικής ομάδας. Τα δύο πάλσαρ που απαρτίζουν αυτό το σύστημα έχουν γρήγορες περιστροφές —44 φορές το δευτερόλεπτο (Α), μία φορά κάθε 2,8 δευτερόλεπτα (Β)— και περιστρέφονται το ένα γύρω από το άλλο για μόλις 147 λεπτά. Ενώ είναι περίπου 30% μεγαλύτερο από τον Ήλιο, έχει διάμετρο μόνο περίπου 24 km (15 mi). Εξ ου και η έντονη βαρύτητα και τα έντονα μαγνητικά πεδία.
Εκτός από αυτές τις ιδιότητες, η γρήγορη τροχιακή περίοδος αυτού του συστήματος το καθιστά σχεδόν τέλειο εργαστήριο για τη δοκιμή βαρυτικών θεωριών. Όπως είπε ο καθηγητής Kramer σε πρόσφατο δελτίο τύπου για το MPIfR:
“Έχουμε μελετήσει ένα σύστημα συμπιεσμένων αστεριών και είμαστε ένα ασυναγώνιστο εργαστήριο για τη δοκιμή θεωριών της βαρύτητας παρουσία πολύ ισχυρών βαρυτικών πεδίων. Προς μεγάλη μας χαρά, μπορέσαμε να δοκιμάσουμε τον ακρογωνιαίο λίθο της θεωρίας του Αϊνστάιν, την ενέργεια που μεταφέρει βαρυτικά κύματα, με ακρίβεια 25 φορές καλύτερη από αυτή του βραβευμένου με Νόμπελ πάλσαρ Hulse-Taylor και 1.000 φορές καλύτερη από ό,τι είναι σήμερα δυνατό με τους ανιχνευτές βαρυτικών κυμάτων».
Η εντύπωση του καλλιτέχνη για το μονοπάτι του αστέρα S2 που περνά κοντά στον Τοξότη Α*, που επιτρέπει επίσης στους αστρονόμους να δοκιμάσουν προβλέψεις που γίνονται από τη γενική σχετικότητα κάτω από ακραίες συνθήκες. Πίστωση: ESO/M. Kornmeiser
Επτά ραδιοτηλεσκόπια χρησιμοποιήθηκαν για τη 16χρονη εκστρατεία παρατήρησης, συμπεριλαμβανομένων των ραδιοτηλεσκοπίων Parkes (Αυστραλία), Green Bank Telescope (ΗΠΑ), Nansai Radio Telescope (Γαλλία), Eiffelberg 100m Telescope (Γερμανία), Lovell Radio Telescope (Βασίλειο Ηνωμένο Βασίλειο), Westerbork Synthesis Radio Telescope (Ολλανδία) και Very Long Core Array (ΗΠΑ).
Αυτά τα παρατηρητήρια κάλυψαν διάφορα μέρη του ραδιοφάσματος, που κυμαίνονταν από 334 MHz και 700 MHz έως 1300 – 1700 MHz, 1484 MHz και 2520 MHz. Κάνοντας αυτό, μπόρεσαν να δουν πώς τα φωτόνια που προέρχονται από αυτό το δυαδικό πάλσαρ επηρεάστηκαν από την ισχυρή βαρύτητα του. Όπως εξήγησε η καθηγήτρια Ingrid Stiers του Πανεπιστημίου της Βρετανικής Κολομβίας (UBC) στο Βανκούβερ, συν-συγγραφέας της μελέτης:
“Ακολουθούμε τη διάδοση των ραδιοφωτονίων που εκπέμπονται από έναν κοσμικό φάρο, ένα πάλσαρ, και παρακολουθούμε την κίνησή τους στο ισχυρό βαρυτικό πεδίο ενός συνοδευτικού πάλσαρ. Βλέπουμε για πρώτη φορά πώς το φως καθυστερεί όχι μόνο από την ισχυρή καμπυλότητα του διαστήματος- χρόνο γύρω από έναν σύντροφο, αλλά και ότι το φως εκτρέπεται από μια μικρή γωνία 0,04 μοιρών. Μπορούμε να ανακαλύψουμε. Ένα τέτοιο πείραμα δεν είχε γίνει ποτέ πριν σε μια τόσο υψηλή καμπυλότητα του χωροχρόνου.”
Όπως πρόσθεσε ο συν-συγγραφέας καθηγητής Ντικ Μάντσεστερ του Οργανισμού Επιστημονικής και Βιομηχανικής Έρευνας της Κοινοπολιτείας της Αυστραλίας (CSIRO), η ταχεία τροχιακή κίνηση συμπαγών αντικειμένων όπως αυτά τους επέτρεψε να δοκιμάσουν επτά διαφορετικές προβλέψεις για το GR. Αυτά περιλαμβάνουν τα βαρυτικά κύματα, τη διάδοση του φωτός («καθυστέρηση και κάμψη του φωτός του Shapiro), τη χρονική διαστολή και την εξίσωση μάζας-ενέργειας (E = mc).2), και ποια είναι η επίδραση της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας στην τροχιακή κίνηση ενός πάλσαρ.
Το τηλεσκόπιο Robert C. Bird Green Bank (GBT) στη Δυτική Βιρτζίνια. Πίστωση: GBO/AUI/NSF
«Αυτή η ακτινοβολία ισοδυναμεί με συλλογική απώλεια 8 εκατομμυρίων τόνων ανά δευτερόλεπτο!» Αυτός είπε. «Αν και αυτό ακούγεται πολύ, είναι ένα μικροσκοπικό κλάσμα – 3 μέρη ανά χίλια δισεκατομμύρια (!) – της μάζας ενός πάλσαρ ανά δευτερόλεπτο». Οι ερευνητές έκαναν επίσης πολύ ακριβείς μετρήσεις των αλλαγών στον τροχιακό προσανατολισμό των πάλσαρ, ένα σχετικιστικό φαινόμενο που παρατηρήθηκε για πρώτη φορά με την τροχιά του Ερμή — και ένα από τα μυστήρια που βοήθησε να λυθεί η θεωρία GR του Αϊνστάιν.
Μόνο εδώ, το φαινόμενο ήταν 140.000 φορές ισχυρότερο, οδηγώντας την ομάδα να συνειδητοποιήσει ότι έπρεπε επίσης να εξετάσει την επίδραση της περιστροφής του πάλσαρ στον περιβάλλοντα χωροχρόνο – γνωστό και ως γνωστόν. Εφέ Lense-Thirring ή “σύρετε το πλαίσιο”. Ο Δρ Norbert Weeks του MPIfR, άλλος επικεφαλής συγγραφέας της μελέτης, επέτρεψε επίσης μια άλλη σημαντική ανακάλυψη:
«Αυτό σημαίνει από την εμπειρία μας ότι πρέπει να θεωρήσουμε την εσωτερική δομή ενός πάλσαρ ως α αστέρι νετρονίων. Ως εκ τούτου, οι μετρήσεις μας μας επιτρέπουν για πρώτη φορά να χρησιμοποιήσουμε ακριβή παρακολούθηση των κύκλων αστεριών νετρονίων, μια τεχνική που ονομάζουμε χρονισμό πάλσαρ για να παρέχει περιορισμούς στην επέκταση του αστέρα νετρονίων».
Ένα άλλο πολύτιμο αποτέλεσμα από αυτό το πείραμα ήταν ο τρόπος με τον οποίο η ομάδα συνδύασε συμπληρωματικές τεχνικές παρακολούθησης για να αποκτήσει μετρήσεις απόστασης υψηλής ακρίβειας. Παρόμοιες μελέτες έχουν συχνά παρεμποδιστεί από κακές εκτιμήσεις απόστασης στο παρελθόν. Συνδυάζοντας την τεχνολογία χρονισμού πάλσαρ με ακριβείς μετρήσεις συμβολομετρίας (και εφέ ISM), η ομάδα έλαβε ένα αποτέλεσμα υψηλής ανάλυσης 2.400 ετών φωτός με περιθώριο σφάλματος 8%.
Εικονογράφηση καλλιτέχνη δύο συγχωνευόμενων άστρων νετρονίων. Οι στενές δέσμες αντιπροσωπεύουν μια έκρηξη ακτίνων γάμμα, ενώ το κυματοειδές χωροχρόνο πλέγμα υποδηλώνει τα αντίθετα βαρυτικά κύματα που χαρακτηρίζουν τη συγχώνευση. Πίστωση: NSF/LIGO/Sonoma State University/A. Simonet
Στο τέλος, όχι μόνο τα αποτελέσματα της ομάδας ήταν συνεπή με το GR, αλλά μπόρεσαν επίσης να δουν αποτελέσματα που δεν θα μπορούσαν να είχαν μελετηθεί πριν. Όπως εξέφρασε ο Paulo Freire, ένας άλλος συν-συγγραφέας της μελέτης (επίσης από το MPIfR):
“Τα αποτελέσματά μας συμπληρώνουν καλά άλλες πειραματικές μελέτες που δοκιμάζουν τη βαρύτητα σε άλλες συνθήκες ή βλέπουν διαφορετικά αποτελέσματα, όπως ανιχνευτές βαρυτικών κυμάτων ή το τηλεσκόπιο Event Horizon. Συμπληρώνουν επίσης άλλα πειράματα πάλσαρ, όπως το πείραμά μας με ένα πάλσαρ σε ένα σύστημα τριπλών αστέρων , το οποίο παρείχε μια ανεξάρτητη (και συναρπαστική) δοκιμασία της καθολικότητας της ελεύθερης πτώσης».
«Έχουμε φτάσει σε ένα άνευ προηγουμένου επίπεδο ακρίβειας», κατέληξε ο καθηγητής Kramer. Τα μελλοντικά πειράματα με μεγαλύτερα τηλεσκόπια θα μπορούσαν και θα συνεχίσουν να προχωρούν περαιτέρω. Η εργασία μας έχει δείξει τον τρόπο με τον οποίο πρέπει να διεξάγονται τέτοια πειράματα και ποια ακριβή αποτελέσματα πρέπει να ληφθούν υπόψη τώρα. Ίσως μια μέρα θα βρούμε μια απόκλιση από τη γενική σχετικότητα».
Το άρθρο που περιγράφει την έρευνά τους εμφανίστηκε πρόσφατα στο περιοδικό Χ. φυσική ανασκόπησηΚαι
Αρχικά δημοσιεύτηκε στο σύμπαν σήμερα.
Για να μάθετε περισσότερα σχετικά με αυτήν την έρευνα:
Αναφορά: «Δοκιμές βαρύτητας ισχυρού πεδίου με χρήση του διπλού αστέρα» από τους M. Kramer et al. 13 Δεκεμβρίου 2021, Χ. φυσική ανασκόπηση.
DOI: 10.1103/ PhysRevX.11.041050