Testowanie ogólnej teorii względności przy pomocy pulsarów

Czy ogólna teoria względności Einsteina wytrzymuje próbę czasu, czy też ten słynny opis grawitacji chwieje się pod wpływem badań? Zespół astronomów wykorzystał parę skrajnie gęstych pozostałości gwiezdnych, aby poddać teorię próbie.

Nowy test starej teorii
W 1919 roku naukowcy udali się do Brazylii oraz na Wyspy Świętego Tomasza i Książęcą, aby być świadkami zaćmienia Słońca i zmierzyć subtelne ugięcie światła gwiazd spowodowane masą Słońca. Eksperyment ten był jednym z pierwszych, bardzo nagłośnionych serii testów ogólnej teorii względności, która rządzi zakrzywieniem czasoprzestrzeni przez materię i energię. Teoria ta wytrzymywała test za testem, ale to nie powstrzymało astronomów przed próbami jej podważenia.

W miarę, jak nasze rozumienie Wszechświata i narzędzia, którymi dysponujemy, stawały się coraz bardziej wyrafinowane, podobnie było z naszymi testami; teraz zespół kierowany przez Hao Dinga (Swinburne University of Technology i ARC Center of Excellence for Gravitational Wave Discovery, Australia) przyłączył się do historycznych poszukiwań mających na celu zbadanie stuletniej teorii grawitacji przy użyciu typu obiektów, które nie były jeszcze znane światu, gdy Einstein pisał teorię w 1915 roku – pulsarów.

Śledzenie układu podwójnego
Pulsary są namagnesowanymi, niezwykle gęstymi pozostałościami po gwiazdach, które emitują wiązki promieniowania. W rzadkich przypadkach obie gwiazdy w układzie podwójnym mogą przekształcić się w pulsary; odkrycie pulsara w układzie podwójnym w 1974 roku i jego znaczenia jako poligonu doświadczalnego dla teorii grawitacji przyniosło Russellowi Hulse’owi i Josephowi Taylorowi Nagrodę Nobla.

Astronomowie wykorzystują podwójne pulsary do testowania przewidywań OTW, mierząc tempo, w jakim ich orbity rozpadają się w miarę utraty energii w postaci fal grawitacyjnych. Poprzednie pomiary tempa rozpadu orbit dla jednego z 16 potwierdzonych pulsarów podwójnych, PSR J1537+1155, nie zgadzały się z przewidywaniami OTW o 9% – to znacznie większa rozbieżność niż ta, którą stwierdzono dla innych układów.

Niestety, najlepszy sposób na zmierzenie odległości do pary pulsarów wykorzystuje przewidywania ogólnej teorii względności, więc nie może być wykorzystany w teście tej teorii. Teraz Ding i współpracownicy wyznaczyli nową odległość do pulsara PSR J1537+115 w staroświecki sposób: mierząc pozorny ruch układu względem gwiazd tła, gdy Ziemia porusza się wokół Słońca (metoda paralaksy).

Poszukiwanie precyzji
W celu dokonania zaktualizowanego pomiaru odległości, Ding i współpracownicy wykorzystali dane z Very Long Baseline Array (VLBA) – sieci radioteleskopów rozrzuconych po całym świecie, o zdolności rozdzielczej pojedynczej anteny radiowej o rozmiarze 8600 km. Zespół starannie połączył pomiary wykonane w ciągu sześciu lat, aby uzyskać najbardziej precyzyjną odległość do układu podwójnego pulsara, jaką kiedykolwiek uzyskano bez zakładania, że OTW jest poprawna: 0,94 kiloparseka (3066 lat świetlnych).

Dzięki temu nowemu pomiarowi, niezgodność pomiędzy obserwacjami a przewidywaniami teorii względności kurczy się do zaledwie 2,3%. Patrząc w przyszłość, Ding i współpracownicy przewidują, że wysokoczułe instrumenty o bardzo długiej linii bazowej jeszcze bardziej udoskonalą nasze oszacowanie odległości do PSR J1537+115 i potencjalnie rozwiążą pozostałe rozbieżności między obserwacjami a teorią.

Opracowanie:
Agnieszka Nowak

Źródło:
AAS

Urania

Na ilustracji: Wizja artystyczna pulsara – szybko wirującej gwiazdy neutronowej. Źródło: NASA’s Goddard Space Flight Center.

Dodaj komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany.