Kolejne potwierdzenie teorii względności Einsteina

Wykorzystując wyjątkową czułość Green Bank Telescope (GBT), astronomowie wykonali jeden z najbardziej przekonujących testów przewidywań teorii grawitacji Einsteina. Śledząc dokładnie zachowanie trzech gwiazd w jednym układzie – dwóch białych karłów i jednej bardzo gęstej gwiazdy neutronowej – naukowcy ustalili, że nawet niezwykle zwarte gwiazdy neutronowe „opadają” w takim samym tempie, jak ich mniej gęste odpowiedniki (ten aspekt natury związany jest z tzw. „silną zasadą równoważności”).

Według przewidywań ogólnej teorii względności Einsteina, wszystkie swobodnie spadające obiekty czynią to w tym samym tempie (z tym samym przyspieszeniem w danym polu grawitacyjnym), niezależnie od swojej masy i składu. Teoria ta przeszła testy na Ziemi, jednak wciąż pozostaje aktualne pytanie czy działa tak samo dla jednych z najbardziej masywnych obiektów znanych we Wszechświecie? Międzynarodowy zespół astronomów przeprowadził bardzo rygorystyczny test, aby móc odpowiedzieć na to pytanie. Ich odkrycia pokazują, że teoria grawitacji Einsteina ciągle działa, nawet w jednym z najbardziej ekstremalnych scenariuszy, jaki może zaoferować Wszechświat.

Zabierzcie całe powietrze, a młotek i piórko spadną w tym samym tempie – koncepcja zbadana przez Galileusza w XVII wieku i znakomicie zilustrowana na Księżycu przez astronautę Apollo 15, Davida Scotta.

Podstawy te są znane już w fizyce Newtona, natomiast teoria grawitacji Einsteina wyjaśnia dlaczego tak się dzieje. Do tej pory równania Einsteina przeszły wszystkie testy, od dokładnych badań laboratoryjnych po obserwacje planet w Układzie Słonecznym. Ale alternatywy dla ogólnej teorii względności przewidują, że obiekty zwarte o wyjątkowo silnej grawitacji, takie jak gwiazdy neutronowe, spadają nieco inaczej, niż obiekty o mniejszej masie. Ta różnica, którą alternatywne teorie przewidują, wynikałaby z tak zwanej grawitacyjnej energii wiązania (energii grawitacyjnej, która utrzymuje zwarty obiekt razem).  

W 2011 r. GBT odkrył naturalne laboratorium, które pozwoliło na przetestowanie tej teorii w ekstremalnych warunkach: potrójny układ gwiazd zwany PSR J0337+1715, który znajduje się w odległości ok. 4200 lat świetlnych od Ziemi. Układ ten zawiera gwiazdę neutronową okrążającą białego karła po orbicie zajmującej 1,6 dnia. Dalej od tej pary znajduje się inny biały karzeł z okresem obiegu 327 dni.

Od czasu odkrycia, układ był regularnie obserwowany przez GBT, Westerbork Synthesis Radio Telescope w Holandii oraz Obserwatorium Arecibo w Puerto Rico. GBT spędził ponad 400 godzin obserwując system, zbierając dane i obliczając, jak każdy ze składników porusza się względem drugiego.

W jaki sposób teleskopy były w stanie zbadać ten układ? Ta konkretna gwiazda neutronowa jest w rzeczywistości pulsarem. Wiele pulsarów rotuje z dokładnością, która może rywalizować z najbardziej precyzyjnymi zegarami atomowymi na Ziemi. Jako jeden z najbardziej czułych radioteleskopów na Ziemi, GBT jest przygotowany do wychwytywania słabych impulsów fal radiowych. Gwiazda neutronowa w tym układzie rotuje z okresem 366 razy na sekundę.

Jeżeli alternatywy dla wizerunku grawitacji Einsteina byłyby poprawne, gwiazda neutronowa i wewnętrzny biały karzeł opadałyby różnie w kierunku zewnętrznego białego karła. Wewnętrzny biały karzeł nie jest tak masywny i zwarty, jak gwiazda neutronowa, a zatem ma mniej grawitacyjnej energii wiązania.

Dzięki skrupulatnym obserwacjom i dokładnym obliczeniom zespół był w stanie przetestować grawitację układu za pomocą impulsów samej gwiazdy neutronowej. Naukowcy odkryli, że jakakolwiek różnica w przyspieszeniu między gwiazdą neutronową a wewnętrznym białym karłem jest zbyt mała do wykrycia.

Wynik ten jest dziesięciokrotnie dokładniejszy, niż poprzedni test grawitacji, co czyni dowód silnej zasady równoważności Einsteina jeszcze mocniejszym. 

Opracowanie:
Agnieszka Nowak

Więcej:

Źródło: GBO

Na zdjęciu: Wizja artystyczna układu potrójnego PSR J0337+1715, który znajduje się około 4200 lat świetlnych stąd. Układ ten jest naturalnym laboratorium do testowania podstaw teorii grawitacji.