Výskumníci uskutočnili 16-ročný experiment s cieľom spochybniť Einsteinovu teóriu všeobecnej relativity. Medzinárodný tím sa pozrel na hviezdy – pár extrémnych hviezd, ktoré sa presnejšie nazývajú pulzary – prostredníctvom siedmich rádioteleskopov po celom svete. Poďakovanie: Inštitút Maxa Plancka pre rádiovú astronómiu
Uplynulo viac ako sto rokov, odkedy Einstein formalizoval svoju teóriu všeobecnej relativity (GR), geometrickú teóriu gravitácie, ktorá spôsobila revolúciu v našom chápaní vesmíru. A predsa ho astronómovia stále podrobujú prísnym testom v nádeji, že nájdu odchýlky od tejto zavedenej teórie. Dôvod je jednoduchý: akýkoľvek náznak fyziky mimo GR by otvoril nové okná do vesmíru a pomohol vyriešiť niektoré z najhlbších záhad o vesmíre.
Jeden z najprísnejších testov vôbec nedávno vykonal medzinárodný tím astronómov pod vedením Michaela Kramera z Inštitútu Maxa Plancka pre rádiovú astronómiu (MPIfR) v Bonne v Nemecku. Pomocou siedmich rádioteleskopov z celého sveta Kramer a jeho kolegovia pozorovali unikátny pár pulzarov 16 rokov. V tomto procese po prvýkrát pozorovali účinky predpovedané GR as an presnosť minimálne 99,99 %!
Okrem výskumníkov z MPIfR sa ku Kramerovi a jeho spolupracovníkom pripojili výskumníci z inštitúcií v desiatich rôznych krajinách – vrátane Jodrell Bank Center for Astrophysics (Spojené kráľovstvo), ARC Center of Excellence for Gravitational Wave Discovery (Austrália), Perimeter Institute pre teoretickú fyziku (Kanada), Observatoire de Paris (Francúzsko), Osservatorio Astronomico di Cagliari (Taliansko), Juhoafrické rádioastronomické observatórium (SARAO), Holandský inštitút pre rádiovú astronómiu (ASTRON) a Observatórium Arecibo.
Pulzary sú rýchlo rotujúce neutrónové hviezdy, ktoré vyžarujú úzke, široké lúče rádiových vĺn. Poďakovanie: Goddard Space Flight Center NASA
„Rádiové pulzary“ sú špeciálnou triedou rýchlo rotujúcich, vysoko magnetizovaných neutrónových hviezd. Tieto superhusté objekty vyžarujú zo svojich pólov silné rádiové lúče, ktoré (v kombinácii s ich rýchlou rotáciou) vytvárajú strobovací efekt, ktorý pripomína maják. Astronómovia sú fascinovaní pulzarmi, pretože poskytujú množstvo informácií o fyzike, ktorá riadi ultrakompaktné objekty, magnetické polia, medzihviezdne médium (ISM), planetárnu fyziku a dokonca aj kozmológiu.
Extrémne gravitačné sily navyše umožňujú astronómom testovať predpovede gravitačných teórií ako GR a Modifikovaná newtonovská dynamika (MOND) v niektorých z najextrémnejších podmienok, aké si možno predstaviť. V záujme svojej štúdie Kramer a jeho tím preskúmali PSR J0737-3039 A/B, systém „Double Pulsar“, ktorý sa nachádza 2 400 svetelných rokov od Zeme v súhvezdie Puppis,
Tento systém je jediným rádiom pulzar dvojhviezdy vôbec pozorovaný a bol objavený v roku 2003 členmi výskumného tímu. Dva pulzary, ktoré tvoria tento systém, sa rýchlo otáčajú – 44-krát za sekundu (A), raz za 2,8 sekundy (B) – a obiehajú okolo seba s periódou iba 147 minút. Aj keď sú asi o 30 % hmotnejšie ako Slnko, merajú len asi 24 km (15 mi) v priemere. Preto ich extrémna gravitácia a intenzívne magnetické polia.
Okrem týchto vlastností rýchla obežná doba tohto systému z neho robí takmer dokonalé laboratórium na testovanie teórií gravitácie. Ako hovorí prof. Kramer povedal v nedávnej tlačovej správe MPIfR:
„Študovali sme systém kompaktných hviezd, ktorý je bezkonkurenčným laboratóriom na testovanie teórií gravitácie v prítomnosti veľmi silných gravitačných polí. Na naše potešenie sme mohli otestovať základný kameň Einsteinovej teórie, energiu, ktorú prenáša gravitačné vlnys presnosťou, ktorá je 25-krát lepšia ako v prípade pulzaru Hulse-Taylora, ktorý získal Nobelovu cenu, a 1000-krát lepšou, než je v súčasnosti možné s detektormi gravitačných vĺn.
Umelcov dojem z dráhy hviezdy S2 prechádzajúcej veľmi blízko k Sagittarius A*, čo tiež umožňuje astronómom testovať predpovede všeobecnej teórie relativity v extrémnych podmienkach. Kredit: ESO/M. Kornmesser
Na 16-ročnú pozorovaciu kampaň bolo použitých sedem rádioteleskopov, vrátane Parkesovho rádioteleskopu (Austrália), Green Bank Telescope (USA), Nançay Radio Telescope (Francúzsko), Effelsberg 100-m teleskopu (Nemecko), Lovell Rádioteleskop (Spojené kráľovstvo), rádiový teleskop Westerbork Synthesis (Holandsko) a pole Very Long Baseline Array (USA).
Tieto observatóriá pokrývali rôzne časti rádiového spektra v rozsahu od 334 MHz a 700 MHz po 1300 – 1700 MHz, 1484 MHz a 2520 MHz. Pritom mohli vidieť, ako boli fotóny pochádzajúce z tohto binárneho pulzaru ovplyvnené jeho silnou gravitačnou silou. Ako spoluautor štúdie Prof. Ingrid Stairs z University of British Columbia (UBC) vo Vancouveri vysvetlila:
„Sledujeme šírenie rádiových fotónov vyžarovaných z kozmického majáku, pulzaru, a sledujeme ich pohyb v silnom gravitačnom poli sprievodného pulzaru. Prvýkrát vidíme, ako sa svetlo nielen oneskoruje v dôsledku silného zakrivenia časopriestoru okolo spoločníka, ale aj to, že svetlo je vychýlené o malý uhol 0,04 stupňa, ktorý dokážeme zachytiť. Nikdy predtým sa takýto experiment neuskutočnil pri takom veľkom zakrivení časopriestoru.“
Ako spoluautor prof. Dick Manchester z austrálskej organizácie Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization (CSIRO) dodal, že rýchly orbitálny pohyb kompaktných objektov, ako sú tieto, im umožnil otestovať sedem rôznych predpovedí GR. Patria sem gravitačné vlny, šírenie svetla („Shapiro oneskorenie a ohyb svetla), dilatácia času, ekvivalencia hmoty a energie (E=mc)2) a aký vplyv má elektromagnetické žiarenie na orbitálny pohyb pulzaru.
Teleskop Roberta C. Byrda Green Bank (GBT) v Západnej Virgínii. Kredit: GBO/AUI/NSF
„Toto žiarenie zodpovedá strate hmoty 8 miliónov ton za sekundu!“ povedal. „Hoci sa to zdá veľa, je to len nepatrný zlomok – 3 časti z tisíc miliárd miliárd (!) – hmotnosti pulzaru za sekundu.“ Výskumníci tiež vykonali mimoriadne presné merania zmien orbitálnej orientácie pulzarov, čo je relativistický efekt, ktorý bol prvýkrát pozorovaný pri obežnej dráhe Merkúra – a jednu zo záhad pomohla vyriešiť Einsteinova teória GR.
Iba tu bol účinok 140 000-krát silnejší, čo viedlo tím k uvedomeniu, že je potrebné zvážiť aj vplyv rotácie pulzaru na okolitý časopriestor – alias. efekt Lense-Thirring alebo „preťahovanie snímok“. Ako hovorí Dr. Norbert Wex z MPIfR, ďalší hlavný autor štúdie, umožnil ďalší prielom:
„V našom experimente to znamená, že musíme zvážiť vnútornú štruktúru pulzaru ako a neutrónová hviezda, Naše merania nám teda po prvýkrát umožňujú použiť presné sledovanie rotácií neutrónovej hviezdy, techniku, ktorú nazývame časovanie pulzaru, aby sme obmedzili rozšírenie neutrónovej hviezdy.
Ďalším cenným poznatkom z tohto experimentu bolo, ako tím kombinoval doplnkové pozorovacie techniky na získanie vysoko presných meraní vzdialenosti. Podobné štúdie boli často brzdené nedostatočne obmedzenými odhadmi vzdialenosti v minulosti. Kombináciou techniky časovania pulzaru s starostlivými interferometrickými meraniami (a účinkami ISM) tím získal výsledok s vysokým rozlíšením 2 400 svetelných rokov s 8% chybou.
Umelcova ilustrácia dvoch spájajúcich sa neutrálnych hviezd. Úzke lúče predstavujú záblesk gama žiarenia, zatiaľ čo vlniaca sa mriežka časopriestoru naznačuje izotropné gravitačné vlny, ktoré charakterizujú zlúčenie. Kredit: NSF/LIGO/Sonoma State University/A. Simonnet
Nakoniec sa výsledky tímu nielen zhodovali s GR, ale boli schopní vidieť aj účinky, ktoré sa predtým nedali študovať. Ako uviedol Paulo Freire, ďalší spoluautor štúdie (a tiež z MPIfR):
„Naše výsledky pekne dopĺňajú iné experimentálne štúdie, ktoré testujú gravitáciu v iných podmienkach alebo vidia rôzne efekty, ako sú detektory gravitačných vĺn alebo ďalekohľad Event Horizon Telescope.“ Dopĺňajú tiež ďalšie experimenty s pulzarmi, ako je náš experiment s časovaním pulzaru v hviezdnom trojitom systéme, ktorý poskytol nezávislý (a vynikajúci) test univerzálnosti voľného pádu.“
„Dosiahli sme bezprecedentnú úroveň presnosti,“ povedal prof. uzavrel Kramer. „Budúce experimenty s ešte väčšími teleskopmi môžu a budú ísť ešte ďalej. Naša práca ukázala, akým spôsobom je potrebné vykonávať takéto experimenty a aké jemné účinky je teraz potrebné vziať do úvahy. A možno raz nájdeme odchýlku od všeobecnej teórie relativity.“
V časopise sa nedávno objavil článok, ktorý popisuje ich výskum Fyzický prehľad X,
pôvodne uverejnené dňa Vesmír dnes,
Viac o tomto výskume:
Odkaz: „Testy gravitácie v silnom poli s dvojitým pulzarom“ od M. Kramera a kol., 13. decembra 2021, Fyzický prehľad X,
DOI: 10.1103/PhysRevX.11.041050
