Radio Pulsar Binary demonstrează că Einstein are dreptate cel puțin 99,99%.

Cercetătorii au efectuat un experiment de 16 ani pentru a contesta teoria relativității generale a lui Einstein. Echipa internațională a privit stelele – o pereche de stele extreme numite pulsari pentru a fi mai precis – prin șapte radiotelescoape din întreaga lume. Credit: Institutul Max Planck pentru Radio Astronomie

Au trecut peste o sută de ani de când Einstein și-a oficializat teoria relativității generale (GR), teoria geometrică a gravitației care a revoluționat înțelegerea noastră asupra Universului. Și totuși, astronomii îl supun încă unor teste riguroase, sperând să găsească abateri de la această teorie consacrată. Motivul este simplu: orice indiciu de fizică dincolo de GR ar deschide noi ferestre în Univers și ar ajuta la rezolvarea unora dintre cele mai profunde mistere ale cosmosului.

Unul dintre cele mai riguroase teste efectuate vreodată a fost efectuat recent de o echipă internațională de astronomi condusă de Michael Kramer de la Institutul Max Planck pentru Radio Astronomie (MPIfR) din Bonn, Germania. Folosind șapte radiotelescoape din întreaga lume, Kramer și colegii săi au observat o pereche unică de pulsari timp de 16 ani. În acest proces, au observat pentru prima dată efectele prezise de GR și cu a precizie cel putin 99,99%!

Pe lângă cercetătorii MPIfR, Kramer și asociații săi li s-au alăturat și cercetători din instituții din zece țări diferite – inclusiv Centrul Jodrell Bank pentru Astrofizică (Marea Britanie), Centrul de excelență ARC pentru descoperirea undelor gravitaționale (Australia), Institutul Perimetru de Fizica teoretică (Canada), Observatorul din Paris (Franța), Osservatorio Astronomico di Cagliari (Italia), Observatorul de radioastronomie din Africa de Sud (SARAO), Institutul Olandez de Radioastronomie (ASTRON) și Observatorul Arecibo.

Steaua de neutroni Pulsar care se rotește rapid

Pulsarii sunt stele neutronice care se rotesc rapid, care emit fascicule înguste și largi de unde radio. Credit: NASA Goddard Space Flight Center

„Pusarii radio” sunt o clasă specială de stele neutronice care se rotesc rapid, puternic magnetizate. Aceste obiecte super dense emit fascicule radio puternice de la polii lor care (atunci când sunt combinate cu rotația lor rapidă) creează un efect stroboscopic care seamănă cu un far. Astronomii sunt fascinați de pulsari deoarece oferă o mulțime de informații despre fizica care guvernează obiectele ultracompacte, câmpurile magnetice, mediul interstelar (ISM), fizica planetară și chiar cosmologie.

READ  Cometa „de cauciuc” a Rosettei se apropie de Pământ și va dispărea timp de 200 de ani

În plus, forțele gravitaționale extreme implicate le permit astronomilor să testeze predicțiile făcute de teorii gravitaționale precum GR și Dinamica newtoniană modificată (MOND) în unele dintre cele mai extreme condiții imaginabile. În scopul studiului lor, Kramer și echipa sa au examinat PSR J0737-3039 A/B, sistemul „Double Pulsar” situat la 2.400 de ani lumină de Pământ în constelație de căței.

Acest sistem este singurul radio pulsar binar observat vreodată și a fost descoperit în 2003 de membrii echipei de cercetare. Cei doi pulsari care alcătuiesc acest sistem se rotesc rapid – de 44 de ori pe secundă (A), o dată la 2,8 secunde (B) – și orbitează unul pe altul cu o perioadă de doar 147 de minute. Deși sunt cu aproximativ 30% mai masive decât Soarele, au doar aproximativ 24 km (15 mile) în diametru. De aici atracția lor gravitațională extremă și câmpurile magnetice puternice.

Pe lângă aceste proprietăți, perioada orbitală rapidă a acestui sistem îl face un laborator aproape perfect pentru testarea teoriilor gravitației. După cum a declarat profesorul Kramer într-un comunicat de presă recent al MPIfR:

„Am studiat un sistem de stele compacte care este un laborator inegalabil pentru testarea teoriilor gravitaționale în prezența câmpurilor gravitaționale foarte puternice. Spre bucuria noastră, am putut testa o piatră de temelie a teoriei lui Einstein, energia transportată de valuri gravitationalecu o precizie de 25 de ori mai bună decât cu pulsarul Hulse-Taylor, câștigător al Premiului Nobel, și de 1000 de ori mai bună decât ceea ce este posibil în prezent cu detectoarele de unde gravitaționale.

Câmp gravitațional al găurii negre

Impresie de artist despre traiectoria stelei S2 care trece foarte aproape de Săgetător A*, ceea ce permite, de asemenea, astronomilor să testeze predicțiile făcute de Relativitatea Generală în condiții extreme. Credit: ESO/M. Kornmesser

Pentru campania de observare de 16 ani au fost utilizate șapte radiotelescoape, inclusiv Radio Telescope Parkes (Australia), Telescopul Green Bank (SUA), Radio Telescopul Nançay (Franța), Telescopul Effelsberg de 100 m (Germania), Radio Telescopul Lovell. (Marea Britanie), Telescopul Westerbork Synthesis Radio (Olanda) și Very Long Baseline Array (SUA).

Aceste observatoare au acoperit diferite părți ale spectrului radio, variind de la 334 MHz și 700 MHz până la 1300 – 1700 MHz, 1484 MHz și 2520 MHz. Făcând acest lucru, ei au putut să vadă cum fotonii care provin de la acest pulsar binar au fost afectați de puternica sa atracție gravitațională. După cum a explicat coautorul studiului, profesorul Ingrid Stairs de la Universitatea British Columbia (UBC) din Vancouver:

„Urmărim propagarea fotonilor radio emiși de un far cosmic, un pulsar și urmărim mișcarea acestora în câmpul gravitațional puternic al unui pulsar însoțitor. Vedem pentru prima dată cum lumina nu este doar întârziată din cauza unei curburi puternice a spațiu-timpului în jurul însoțitorului, ci și că lumina este deviată de un unghi mic de 0,04 grade pe care îl putem detecta. Niciodată până acum un astfel de experiment nu a fost efectuat la o curbură spațiu-timp atât de mare.

După cum a adăugat coautorul profesorului Dick Manchester de la Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation (CSIRO) din Australia, mișcarea orbitală rapidă a obiectelor compacte ca acestea le-a permis să testeze șapte predicții diferite ale GR. Acestea includ unde gravitaționale, propagarea luminii („întârzierea Shapiro și curbarea luminii), dilatarea timpului, echivalența masă-energie (E = mc2), și ce efect are radiația electromagnetică asupra mișcării orbitale a pulsarului.

Telescopul Robert C. Byrd Green Bank

Telescopul Robert C. Byrd Green Bank (GBT) din Virginia de Vest. Credit: GBO/AUI/NSF

„Această radiație corespunde unei pierderi de masă de 8 milioane de tone pe secundă! el a spus. „Deși sună mult, este doar o mică parte – 3 părți dintr-un trilion de trilion (!) – din masa pulsarului pe secundă”. Cercetătorii au făcut, de asemenea, măsurători extrem de precise ale modificărilor orientării orbitale a pulsarului, un efect relativist care a fost observat pentru prima dată cu orbita lui Mercur – și unul dintre misterele pe care teoria GR a lui Einstein le-a ajutat să le rezolve.

Doar aici, efectul a fost de 140.000 de ori mai puternic, ceea ce a făcut ca echipa să realizeze că trebuie să ia în considerare și impactul rotației pulsarului asupra spațiu-timpului din jur – alias. efectul Lense-Thirring sau „glisarea cadrului”. La fel ca dr. Norbert Wex de la MPIfR, un alt autor principal al studiului, aceasta a oferit o altă descoperire:

„Din experiența noastră, aceasta înseamnă că trebuie să luăm în considerare structura internă a unui pulsar ca un stea neutronică. Prin urmare, măsurătorile noastre ne permit pentru prima dată să folosim urmărirea cu precizie a rotațiilor stelei neutronice, o tehnică pe care o numim sincronizare pulsar pentru a oferi constrângeri asupra extinderii unei stele neutronice.

O altă lecție valoroasă din această experiență a fost modul în care echipa a combinat tehnici de observare complementare pentru a obține măsurători ale distanțelor foarte precise. Studiile similare au fost adesea îngreunate de estimări ale distanțelor slab limitate în trecut. Combinând tehnica de sincronizare a pulsarilor cu măsurători interferometrice atente (și efectele ISM), echipa a obținut un rezultat de înaltă rezoluție de 2.400 de ani lumină cu o marjă de eroare de 8%.

Noile observații ale coliziunii stelelor cu neutroni provoacă unele teorii existente

Redarea artistică a două stele neutronice care se contopesc. Fasciculele înguste reprezintă explozia de raze gamma, în timp ce grila ondulată spațiu-timp indică undele gravitaționale izotrope care caracterizează fuziunea. Credit: NSF/LIGO/Sonoma State University/A. Simonnet

În cele din urmă, rezultatele echipei nu numai că au fost de acord cu GR, dar au putut să vadă și efecte care nu au putut fi studiate înainte. După cum a spus Paulo Freire, un alt coautor al studiului (și, de asemenea, al MPIfR):

„Rezultatele noastre sunt bine complementare cu alte studii experimentale care testează gravitația în alte condiții sau văd efecte diferite, cum ar fi detectoarele de unde gravitaționale sau telescopul Event Horizon. Ele completează, de asemenea, alte experimente cu pulsari, cum ar fi experimentul nostru de sincronizare cu pulsarul într-un triplu. sistem stelar, care a oferit un test independent (și superb) al universalității căderii libere.

„Am atins un nivel de precizie fără precedent”, a concluzionat profesorul Kramer. „Experimentele viitoare cu telescoape și mai mari pot și vor merge și mai departe. Lucrările noastre au arătat cum ar trebui efectuate astfel de experimente și ce efecte subtile trebuie luate acum în considerare. Și, poate, vom găsi o abatere de la relativitatea generală.

Articolul care descrie cercetările lor a apărut recent în jurnal Examenul fizic X,

Publicat inițial pe Universul azi.

Pentru a afla mai multe despre această cercetare:

Referință: „Teste de gravitate în câmp puternic cu pulsarul dublu” de M. Kramer și colab., 13 decembrie 2021, Examenul fizic X.
DOI: 10.1103 / PhysRevX.11.041050

Faci un comentariu sau dai un răspuns?

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile obligatorii sunt marcate cu *