Międzynarodowy zespół astronomów wykorzystał teleskopy z całego świata do przeprowadzenia najbardziej rygorystycznych jak dotąd testów ogólnej teorii względności. Badania trwały 16 lat i jak się okazało, przewidywania Alberta Einsteina opublikowane w 1915 roku są nadal aktualne.
Dr Dick Manchester, pracownik australijskiej narodowej agencji naukowej CSIRO i członek zespołu badawczego, wyjaśnia, w jaki sposób ten wynik pozwala na dokładniejsze zrozumienie naszego Wszechświata. - Ogólna teoria względności opisuje, jak działa grawitacja w dużych skalach. Jednak teoria nie działa w skali atomowej, gdzie króluje mechanika kwantowa – mówi dr Manchester.
- Musieliśmy znaleźć sposób na przetestowanie teorii Einsteina w skali pośredniej, aby sprawdzić, czy jest ona prawdziwa. W 2003 roku za pomocą teleskopu Parkes znaleziono odpowiednie „laboratorium kosmiczne”, czyli perę pulsarów. Obserwacje przeprowadzone w ciągu ostatnich 16 lat okazały się zdumiewająco zgodne z ogólną teorią względności Einsteina, dokładnie w 99,99 procentach – wskazuje dr Manchester.
Odkrycia dokonał zespół kierowany przez profesora Michaela Kramera z Max-Planck-Institute for Radio Astronomy w Bonn w Niemczech. Badania zostały opublikowane w czasopiśmie „Physical Review X” (DOI: 10.1103/PhysRevX.11.041050),
Obserwowany przez badaczy system PSR J0737-3039A/B składa się z dwóch pulsarów, szybko obracających się gwiazd neutronowych, które emitują fale radiowe, jak kosmiczne latarnie morskie i tworzą bardzo silne pole grawitacyjne. Jedna gwiazda obraca się 44 razy na sekundę, podczas gdy okres rotacji drugiej wynosi 2,8 sekundy.
Puls tych gwiazd, czyli ich emisje w zakresie fal radiowych, jest niezwykle precyzyjnie zsynchronizowany, co oznacza, że dla nas pulsary są prawdopodobnie najbardziej użytecznymi gwiazdami we Wszechświecie. Można je wykorzystać do nawigacji, sondowania ośrodka międzygwiazdowego i badania grawitacji.
Odkryty w 2003 roku układ PSR J0737−3039A/B, znajdujący się w odległości około 2400 lat świetlnych od nas, jest jedynym dotąd zidentyfikowanym pulsarem podwójnym. Jego odkrycie stworzyło okazję do przeprowadzenia rygorystycznych badań ogólnej teorii względności, które trwały łącznie 16 lat i wykorzystywały siedem potężnych teleskopów zlokalizowanych na całym świecie.
Oba pulsary znajdują się bardzo blisko siebie. Krążą wokół wspólnego środka masy co 147 minut. Ale ponieważ obiekty te są tak gęste, ich pola grawitacyjne są bardzo silne, co oznacza, że mogą wpływać na czas i kąt wzajemnych impulsów wiązek promieniowania elektromagnetycznego.
Analizy promieniowania emitowanego przez jeden z pulsarów w ekstremalnym polu grawitacyjnym drugiego pulsara pokazały, że fotony fal radiowych były spowalniane. Silne zakrzywienie czasoprzestrzeni odginało również drogę fotonów o 0,04 stopnia.
- Śledziliśmy propagację fotonów fal radiowych emitowanych z kosmicznej latarni, czyli pulsara, i ich ruch w silnym polu grawitacyjnym towarzyszącego obiektu – mówi astrofizyk Ingrid Stairs z University of British Columbia w Kanadzie. - Po raz pierwszy zaobserwowaliśmy, jak światło jest spowalniane nie tylko z powodu silnej krzywizny czasoprzestrzeni wokół towarzysza, ale jest także, odchylane o 0,04 stopnia. Nigdy wcześniej podobnego eksperymentu nie przeprowadzono przy tak dużej krzywiźnie czasoprzestrzeni – dodaje.
W sumie naukowcy przeprowadzili siedem testów ogólnej teorii względności. Sprawdzili też sposób, w jaki zmienia się orientacja orbity układu podwójnego oraz sposób, w jaki pulsary wpływają na czasoprzestrzeń wokół siebie podczas wirowania.
- Oprócz fal grawitacyjnych i propagacji światła zmierzyliśmy również efekt dylatacji czasu, który powoduje, że zegary działają wolniej w silnych polach grawitacyjnych - wyjaśnia Manchester. - Przy rozważaniu wpływu promieniowania elektromagnetycznego emitowanego przez szybko wirujący pulsar na ruch orbitalny musieliśmy wziąć pod uwagę słynne równanie Einsteina E = mc2. To promieniowanie odpowiada utracie 8 milionów ton masy na sekundę. Może wydawać się to dużo, ale to tylko maleńki ułamek – trzy części na tysiąc miliardów miliardów całkowitej masy pulsara – dodaje.
Wyniki dołączają do rosnącego zbioru precyzyjnych pomiarów efektów relatywistycznych, które jak dotąd zgadzają się z przewidywaniami Einsteina. W ciągu najbliższych kilku lat, wraz z pojawieniem się nowych, potężniejszych teleskopów, prawdopodobnie zobaczymy jeszcze dokładniejsze testy grawitacji w ogólnej teorii względności, ponieważ naukowcy nadal szukają w niej luk.
- Ogólna teoria względności jest niekompatybilna z innymi fundamentalnymi siłami opisanymi przez mechanikę kwantową. Dlatego ważne jest, aby kontynuować jak najbardziej rygorystyczne testy ogólnej teorii względności, aby odkryć, jak i kiedy teoria się załamuje - wyjaśnia astrofizyk Robert Ferdman z University of East Anglia w Wielkiej Brytanii. - Znalezienie jakiegokolwiek odchylenia od ogólnej teorii względności stanowiłoby poważne odkrycie, które otworzyłoby okno na nową fizykę wykraczającą poza nasze obecne teoretyczne zrozumienie Wszechświata. I może nam pomóc w ostatecznym odkryciu teorii unifikującej wszelkie podstawowe siły natury - podkreśla.
Źródło: CSIRO, Science Alert, fot. Michael Kramer/Max Planck Institute for Radio Astronomy
