Illustrasjon av dobbeltpulsaren PSR J0737−3039A/B. (Michael Kramer/MPIfRA) To pulsarer låst i tett binær bane har nok en gang validert spådommer laget av Einsteins teori om generell relativitetsteori .
Over 16 år har et internasjonalt team av astronomer observert trykk par, kalt PSR J0737−3039A/B, og fant at de relativistiske effektene kan måles i timingen av pulsene deres - akkurat som forutsagt og forventet. Dette er første gang disse effektene er observert.
'Vi studerte et system av kompakte stjerner som er et uovertruffent laboratorium for å teste gravitasjonsteorier i nærvær av veldig sterke gravitasjonsfelt,' sier astronom og astrofysiker Michael Kramer fra Max Planck Institute for Radio Astronomy i Tyskland, som ledet forskningen.
«Til vår glede var vi i stand til å teste en hjørnestein i Einsteins teori, energien som bæres av gravitasjonsbølger , med en presisjon som er 25 ganger bedre enn med den nobelprisvinnende Hulse-Taylor-pulsaren, og 1000 ganger bedre enn for øyeblikket mulig med gravitasjonsbølge detektorer.'
Pulsarer er uten tvil de mest nyttige stjernene på himmelen. De er en type nøytronstjerne , som betyr at de er veldig små og tette; opptil 20 kilometer (12 miles) på tvers, og opp til rundt 2,4 ganger solens masse.
Det som gjør dem til pulsarer er det faktum at de pulserer. De har stråler av stråling i radiobølgelengder som skyter fra polene sine, og er orientert på en slik måte at disse strålene blinker som en fyrstråle når stjernen roterer, i opptil millisekunders hastigheter.
Disse blinkene er utrolig nøyaktig timet, noe som betyr at for oss er pulsarer det muligens de mest nyttige stjernene i universet . Variasjoner i timingen deres kan brukes til navigasjon, for å undersøke det interstellare mediet og for å studere tyngdekraften.
PSR J0737−3039A/B, oppdaget i 2003, lokalisert rundt 2400 lysår unna, og den eneste doble pulsaren som er identifisert til dags dato, ga en ny mulighet for studier: nok en test av relativitet, i det forskerne kalte et 'uovertruffent laboratorium' for å teste gravitasjonsteorier.
De to pulsarene er veldig nær hverandre, og fullfører en bane hvert 147. minutt. Man roterer ganske raskt med 44 ganger i sekundet. Den andre er yngre og tregere, og roterer en gang hvert 2,8 sekund. Men fordi disse objektene er så tette, er gravitasjonsfeltene deres veldig sterke, noe som betyr at de kan påvirke timingen og vinkelen til hverandres pulser.
Ved å bruke syv kraftige teleskoper rundt om i verden, i løpet av 16 år, var det dette forskerne så etter.
'Vi følger forplantningen av radiofotoner som sendes ut fra et kosmisk fyrtårn, en pulsar, og sporer bevegelsen deres i det sterke gravitasjonsfeltet til en ledsagerpulsar,' sier astrofysiker Ingrid Stairs ved University of British Columbia i Canada.
«Vi ser for første gang hvordan lyset ikke bare blir forsinket på grunn av en sterk krumning av romtiden rundt følgesvennen, men også at lyset avbøyes med en liten vinkel på 0,04 grader som vi kan oppdage. Aldri før har et slikt eksperiment blitt utført med så høy krumning i romtid.'
Totalt utførte forskerne syv tester av generell relativitet, inkludert måten orienteringen til binærens bane endres på, kjent som apsidal presesjon , og måten pulsarene drar rom-tid rundt med seg mens de spinner, kalt rammedrande eller Lense-Thirring-effekten. Dette tillot presisjonssporing av pulsartimingen.
«Bortsett fra gravitasjonsbølger og lysutbredelse, tillater vår presisjon oss også å måle effekten av «tidsutvidelse» som gjør at klokkene går langsommere i gravitasjonsfelt,» forklarer astrofysiker Dick Manchester fra CSIRO i Australia.
«Vi må til og med ta Einsteins berømte ligning E = mctotas i betraktning når man vurderer effekten av den elektromagnetiske strålingen som sendes ut av den hurtigsnurrende pulsaren på orbitalbevegelsen. Denne strålingen tilsvarer et massetap på 8 millioner tonn per sekund! Selv om dette virker mye, er det bare en liten brøkdel – tre deler av tusen milliarder milliarder – av massen til pulsaren per sekund.'
Resultatene slutter seg til en voksende mengde høypresisjonsmålinger av relativistiske effekter som alle, så langt, er enige med Einsteins spådommer. Rom-tidrundt supermassive sorte hull M87*, måten stjernene går i bane rundt Melkeveieneget sentrale supermassive sorte hull, dentiming av atomklokker, atrippelstjernesystemog 14 års observasjoner av envinglete pulsar– alle er i samsvar med generell relativitet.
I løpet av de neste årene, ettersom kraftigere teleskoper dukker opp, vil vi sannsynligvis se enda mer presise gravitasjonstester under generell relativitetsteori, ettersom forskere fortsetter å lete etter hull.
'Generell relativitet er ikke forenlig med de andre grunnleggende kreftene, beskrevet av kvantemekanikken. Det er derfor viktig å fortsette å sette de strengeste testene på generell relativitet som mulig, for å finne ut hvordan og når teorien bryter sammen, forklarer astrofysiker Robert Ferdman ved University of East Anglia i Storbritannia.
«Å finne ethvert avvik fra generell relativitetsteori ville utgjøre en stor oppdagelse som ville åpne et vindu på ny fysikk utover vår nåværende teoretiske forståelse av universet. Og det kan hjelpe oss mot til slutt å oppdage en enhetlig teori om det grunnleggende naturkrefter .'
Forskningen er publisert i Fysisk gjennomgang X .