Rádio Pulsar dává binárnímu Einsteinovi alespoň 99,99% pravdu

Je to již více než sto let, co Einstein formalizoval svou teorii obecné relativity (GR), geometrickou teorii gravitace, která způsobila revoluci v našem chápání vesmíru. Astronomové jsou však stále podrobováni přísným testům a doufají, že najdou odchylky od této dobře zavedené teorie. Důvod je jednoduchý: jakýkoli indikátor fyziky mimo GR by otevřel nová okna do vesmíru a pomohl vyřešit některé z hlubších záhad o vesmíru.

Jeden z nejpřísnějších testů vůbec nedávno provedl mezinárodní tým astronomů pod vedením Michaela Kramera z Institutu Maxe Plancka pro radioastronomii (MPIfR) v německém Bonnu. Pomocí sedmi radioteleskopů z celého světa Kramer a jeho kolegové 16 let pozorovali unikátní pár pulsarů. V tomto procesu poprvé pozorovali účinky předpovídané GR zdraví Alespoň 99,99 %!

Kromě výzkumníků z MPIfR se ke Kramerovi a jeho kolegům připojili výzkumníci z institucí v deseti různých zemích – včetně Jodrell Bank Center for Astrophysics (UK), ARC Center of Excellence for Gravitational Wave Detection (Austrálie) a oceánu. Ústav. Pro teoretickou fyziku (Kanada), Pařížskou observatoř (Francie), Osservatorio Astronomico di Cagliari (Itálie), Jihoafrickou radioastronomickou observatoř (SARAO), Nizozemský institut pro radioastronomii (ASTRON) a observatoř Arecibo.

Pulsary jsou rychle rotující neutronové hvězdy, které vysílají široké úzké paprsky rádiových vln. Poděkování: Goddard Space Flight Center NASA

„Radiopulsary“ jsou speciální třídou rychle rotujících neutronových hvězd, které jsou vysoce magnetické. Tyto ultrahusté objekty vysílají ze svých pólů silné rádiové paprsky, které (v kombinaci s jejich rychlou rotací) vytvářejí silný efekt podobný majáku. Astronomy fascinují pulsary, protože poskytují množství informací o fyzice, která řídí ultramalé objekty, magnetická pole, mezihvězdné prostředí (ISM), planetární fyziku a dokonce i kosmologii.

Intenzivní gravitační síly navíc umožňují astronomům testovat předpovědi provedené gravitačními teoriemi, jako je GR a Modifikovaná Newtonova dynamika (MOND) za těch nejdrsnějších podmínek, jaké si lze představit. Pro svou studii Kramer a jeho tým zkoumali PSR J0737-3039 A/B, systém „dvojitých hvězd“, který se nachází 2 400 světelných let od Země v Souhvězdí Puppis.

Tento systém je jediným rádiem pulsar binary ever a byl objeven v roce 2003 členy výzkumného týmu. Dva pulsary, které tvoří tento systém, mají rychlé otáčky – 44krát za sekundu (A), jednou za 2,8 sekundy (B) – a obíhají kolem sebe pouhých 147 minut. I když je asi o 30 % větší než Slunce, má jen asi 24 km (15 mi) v průměru. Proto jeho intenzivní gravitace a intenzivní magnetická pole.

Kromě těchto vlastností z něj rychlá oběžná doba dělá téměř dokonalou laboratoř pro testování gravitačních teorií. Jak řekl profesor Kramer v nedávné tiskové zprávě pro MPIfR:

„Zkoumali jsme systém stlačených hvězd a jsme bezkonkurenční laboratoří pro testování teorií gravitace v přítomnosti velmi silných gravitačních polí. K naší radosti jsme mohli otestovat základní kámen Einsteinovy ​​teorie, energii, kterou nese gravitační vlnys přesností 25krát lepší než má pulsar Hulse-Taylor oceněný Nobelovou cenou a 1000krát lepší, než je v současnosti možné s detektory gravitačních vln.“

Umělecký dojem z dráhy hvězdy S2 procházející poblíž Sagittarius A*, což astronomům také umožňuje testovat předpovědi obecné teorie relativity za extrémních podmínek. Kredit: ESO/M. Kornmeiser

Pro 16letou pozorovací kampaň bylo použito sedm radioteleskopů, včetně Parkes Radio Telescope (Austrálie), Green Bank Telescope (USA), Nansai Radio Telescope (Francie), Eiffelberg 100m Telescope (Německo), Lovell Radio Telescope (Kingdom United), Westerbork Synthesis Radio Telescope (Nizozemsko) a Very Long Core Array (USA).

Tyto observatoře pokrývaly různé části rádiového spektra v rozsahu od 334 MHz a 700 MHz do 1300 – 1700 MHz, 1484 MHz a 2520 MHz. Při tom byli schopni vidět, jak byly fotony pocházející z tohoto binárního pulsaru ovlivněny jeho silnou gravitací. Profesorka Ingrid Stiers z University of British Columbia (UBC) ve Vancouveru, spoluautorka studie, vysvětlila:

„Sledujeme šíření rádiových fotonů emitovaných kosmickým majákem, pulsarem, a sledujeme jejich pohyb v silném gravitačním poli doprovodného pulsaru. Poprvé vidíme, jak se světlo zpožďuje nejen silným zakřivením prostoru- čas kolem souputníka, ale také to, že světlo je vychýleno o malý úhel 0,04 stupně. Můžeme jejich objev. Takový experiment nebyl nikdy předtím proveden v tak vysokém zakřivení časoprostoru.“

Jak dodal spoluautor profesor Dick Manchester z australské organizace Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization (CSIRO), rychlý orbitální pohyb kompaktních objektů, jako jsou tyto, jim umožnil testovat sedm různých předpovědí o GR. Patří mezi ně gravitační vlny, šíření světla („Shapiro’s delay and light ohyb), dilatace času a rovnice hmotnosti a energie (E = mc).²), a jaký je vliv elektromagnetického záření na orbitální pohyb pulsaru.

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

„Toto záření odpovídá kolektivní ztrátě 8 milionů tun za sekundu!“ Řekl. „Ačkoli to zní jako hodně, je to nepatrný zlomek – 3 části na tisíc miliard (!) – hmotnosti pulsaru za sekundu.“ Vědci také provedli velmi přesná měření změn orbitální orientace pulsarů, což je relativistický efekt poprvé pozorovaný na oběžné dráze Merkuru – a jedna ze záhad, kterou pomohla vyřešit Einsteinova teorie GR.

Pouze zde byl účinek 140 000krát silnější, což vedlo tým k tomu, aby si uvědomil, že je také třeba zvážit vliv rotace pulsaru na okolní časoprostor – alias. Lense-Thirring efekt, neboli „přetáhněte rámeček“. Dr. Norbert Weeks z MPIfR, další hlavní autor studie, také umožnil další průlom:

„To podle našich zkušeností znamená, že musíme vnitřní strukturu pulsaru považovat za a neutronová hvězda. Naše měření nám tedy poprvé umožňují použít přesné sledování cyklů neutronových hvězd, což je technika, kterou nazýváme časování pulsarů, abychom zajistili omezení rozšíření neutronové hvězdy.“

Dalším cenným výsledkem tohoto experimentu bylo, jak tým kombinoval doplňkové monitorovací techniky k získání vysoce přesných měření vzdálenosti. Podobné studie byly v minulosti často brzděny špatnými odhady vzdálenosti. Kombinací technologie časování pulsaru s přesnými interferometrickými měřeními (a efekty ISM) tým získal výsledek s vysokým rozlišením 2400 světelných let s 8% hranicí chyby.

Umělcova ilustrace dvou splývajících neutronových hvězd. Úzké paprsky představují záblesk gama záření, zatímco zvlněná prostoročasová mřížka označuje protilehlé gravitační vlny, které sloučení charakterizují. Kredit: NSF/LIGO/Sonoma State University/A. Simonet

Nakonec byly výsledky týmu nejen konzistentní s GR, ale také byli schopni vidět účinky, které dříve nebylo možné studovat. Jak Paulo Freire, další spoluautor studie (také z MPIfR) vyjádřil:

„Naše výsledky dobře doplňují další experimentální studie, které testují gravitaci za jiných podmínek nebo vidí různé efekty, jako jsou detektory gravitačních vln nebo dalekohled Event Horizon Telescope. Doplňují také další experimenty s pulsary, jako je náš experiment s časováním s pulsarem v trojhvězdném systému.“ , který poskytl nezávislý (a fascinující) test univerzálnosti volného pádu.“

„Dosáhli jsme bezprecedentní úrovně přesnosti,“ uzavřel profesor Kramer. Budoucí experimenty s většími dalekohledy by mohly a budou pokračovat dále. Naše práce ukázala způsob, jakým by se takové experimenty měly provádět a jaké přesné účinky je nyní třeba vzít v úvahu. Možná jednoho dne najdeme odchylku od obecné teorie relativity.“

Článek popisující jejich výzkum nedávno vyšel v časopise X. fyzický přehledA

Původně odesláno v vesmír dnes.

Chcete-li se o tomto výzkumu dozvědět více:

Odkaz: „Testy gravitace v silném poli pomocí dvojité hvězdy“ od M. Kramera a kol. 13. prosince 2021 X. fyzický přehled.
DOI: 10.1103/ PhysRevX.11.041050