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, aspekt natury zwany „silną zasadą równoważności”.
Według przewidywań ogólnej teorii względności Einsteina, wszystkie obiekty opadają w tym samym tempie, niezależnie od masy i składu. Teoria ta przeszła test na Ziemi, jednak czy wciąż pozostaje aktualna 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.
Oprócz podstawowej fizyki Newtona, Einstein potrzebował teorii grawitacji, aby wyjaśnić, 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, opadają nieco inaczej, niż obiekty o mniejszej masie. Ta różnica, którą alternatywne teorie przewidują, wynikałaby z tak zwanej grawitacyjnej energii wiązania zwartego obiektu – energii grawitacyjnej.
W 2011 r. GBT odkrył naturalne laboratorium, które przetestowało tę teorię 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 oraz parę białych karłów krążących dalej, 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 opadały by 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
Źródło:
GBO