„Radio Pulsar Binary“ įrodo, kad Einšteinas yra bent 99,99% teisus

Tyrėjai atliko 16 metų trukusį eksperimentą, siekdami užginčyti Einšteino bendrosios reliatyvumo teoriją. Tarptautinė komanda žiūrėjo į žvaigždes – porą ekstremalių žvaigždžių, tiksliau vadinamų pulsarais – per septynis radijo teleskopus visame pasaulyje. Autoriai: Maxo Plancko radijo astronomijos institutas

Praėjo daugiau nei šimtas metų nuo tada, kai Einšteinas įformino savo bendrosios reliatyvumo teoriją (GR), geometrinę gravitacijos teoriją, kuri pakeitė mūsų supratimą apie Visatą. Ir vis dėlto astronomai vis dar taiko griežtus bandymus, tikėdamiesi rasti nukrypimų nuo šios nusistovėjusios teorijos. Priežastis paprasta: bet koks fizikos požymis už GR atvertų naujus langus į visatą ir padėtų išspręsti kai kurias giliausias kosmoso paslaptis.

Vieną griežčiausių bandymų neseniai atliko tarptautinė vadovaujamų astronomų komanda Michaelo Kramerio iš Max Planck radijo astronomijos instituto (MPIfR) Bonoje, Vokietijoje. Naudodamas septynis radijo teleskopus iš viso pasaulio, Krameris ir jo kolegos 16 metų stebėjo unikalią pulsarų porą. Proceso metu jie pirmą kartą pastebėjo GR numatytus efektus ir su tiksliai bent 99,99%!

Be MPIfR tyrėjų, prie Kramerio ir jo bendražygių prisijungė tyrėjai iš dešimties skirtingų šalių institucijų, įskaitant Jodrell banko astrofizikos centrą (JK), ARC gravitacinių bangų atradimo kompetencijos centrą (Australija), Perimetro institutą. Teorinei fizikai (Kanada), Paryžiaus observatorijai (Prancūzija), Osservatorio Astronomico di Cagliari (Italija), Pietų Afrikos radijo astronomijos observatorijai (SARAO), Nyderlandų radijo astronomijos institutui (ASTRON) ir Arecibo observatorijai.

Greitai besisukanti „Pulsar“ neutronų žvaigždė

Pulsarai yra greitai besisukančios neutroninės žvaigždės, skleidžiančios siaurus, plačius radijo bangų pluoštus. Autoriai: NASA Goddardo kosminių skrydžių centras

„Radijo pulsarai“ yra ypatinga greitai besisukančių, labai įmagnetintų neutroninių žvaigždžių klasė. Šie itin tankūs objektai iš savo polių skleidžia galingus radijo spindulius, kurie (kartu su greitu sukimu) sukuria švyturį primenantį strobavimo efektą. Astronomai žavisi pulsarais, nes jie suteikia daug informacijos apie ypač kompaktiškus objektus, magnetinius laukus, tarpžvaigždinę terpę (ISM), planetų fiziką ir net kosmologiją.

READ  Kodėl mokslininkai ilgus metus praleido kurdami šio padaro smegenis?

Be to, ekstremalios gravitacinės jėgos leidžia astronomams patikrinti gravitacinių teorijų, tokių kaip GR ir Modifikuota Niutono dinamika (MOND) pačiomis ekstremaliausiomis sąlygomis. Savo tyrimo tikslais Krameris ir jo komanda ištyrė PSR J0737-3039 A/B, „dvigubo pulsaro“ sistemą, esančią 2400 šviesmečių nuo Žemės. žvaigždyno šuniukai.

Ši sistema yra vienintelis radijas pulsaras dvejetainis kada nors buvo pastebėtas ir 2003 m. buvo atrastas tyrėjų komandos narių. Du pulsarai, sudarantys šią sistemą, sukasi greitai – 44 kartus per sekundę (A), kartą per 2,8 sekundės (B) – ir vienas apie kitą skrieja vos 147 minutes. Nors jie yra maždaug 30% masyvesni už Saulę, jų skersmuo yra tik apie 24 km (15 mylių). Vadinasi, jų ekstremali gravitacinė trauka ir intensyvūs magnetiniai laukai.

Be šių savybių, dėl greito šios sistemos orbitos periodo ji yra beveik tobula laboratorija gravitacijos teorijoms tikrinti. Kaip teigia prof. Krameris neseniai MPIfR pranešime spaudai sakė:

„Mes ištyrėme kompaktiškų žvaigždžių sistemą, kuri yra neprilygstama laboratorija, skirta išbandyti gravitacijos teorijas esant labai stipriems gravitaciniams laukams. Savo džiaugsmui galėjome išbandyti kertinį Einšteino teorijos akmenį – energiją, kurią neša gravitacinės bangos, kurio tikslumas yra 25 kartus geresnis nei naudojant Nobelio premiją laimėjusį Hulse-Taylor pulsarą ir 1000 kartų geresnis nei šiuo metu įmanoma naudojant gravitacinių bangų detektorius.

Juodosios skylės gravitacijos laukas

Menininko įspūdis apie žvaigždės S2 kelią, einantį labai arti Šaulio A*, kas taip pat leidžia astronomams išbandyti Bendrosios reliatyvumo teorijos prognozes ekstremaliomis sąlygomis. Kreditas: ESO/M. Kornmesser

16 metų trukusioje stebėjimo kampanijoje buvo naudojami septyni radijo teleskopai, įskaitant Parkeso radijo teleskopą (Australija), Green Bank teleskopą (JAV), Nançay radijo teleskopą (Prancūzija), Effelsberg 100 m teleskopą (Vokietija), Lovell. Radio Telescope (JK), Westerbork Synthesis Radio Telescope (Nyderlandai) ir Very Long Baseline Array (JAV).

READ  Tyrėjai teigia, kad nėra „stebuklingo momento“, kad būtų panaikinti „Covid-19“ apribojimai

Šios observatorijos apėmė įvairias radijo spektro dalis – nuo ​​334 MHz ir 700 MHz iki 1300–1700 MHz, 1484 MHz ir 2520 MHz. Tai darydami jie galėjo pamatyti, kaip fotonus, kylančius iš šio dvejetainio pulsaro, paveikė jo stipri gravitacinė trauka. Kaip teigia tyrimo bendraautoris prof. Ingrid Stairs iš Britų Kolumbijos universiteto (UBC) Vankuveryje paaiškino:

„Stebime radijo fotonų, skleidžiamų iš kosminio švyturio, pulsaro, sklidimą ir stebime jų judėjimą stipriame kompaniono pulsaro gravitaciniame lauke. Pirmą kartą matome, kaip šviesa ne tik vėluoja dėl stipraus erdvėlaikio kreivumo aplink kompanioną, bet ir dėl to, kad šviesa nukreipiama nedideliu 0,04 laipsnių kampu, kurį galime aptikti. Niekada anksčiau toks eksperimentas nebuvo atliktas esant tokiam dideliam erdvės ir laiko kreivumui.

Kaip bendraautorius prof. Dickas Manchesteris iš Australijos Sandraugos mokslo ir pramonės tyrimų organizacijos (CSIRO) pridūrė, kad greitas tokių kompaktiškų objektų judėjimas orbitoje leido jiems išbandyti septynias skirtingas GR prognozes. Tai apima gravitacines bangas, šviesos sklidimą („Šapiro delsą ir šviesos lenkimą“, laiko išsiplėtimą, masės ir energijos ekvivalentą (E=mc).2), ir kokį poveikį elektromagnetinė spinduliuotė daro pulsaro judėjimui orbitoje.

Robert C. Byrd Green Bank teleskopas

Robert C. Byrd Green banko teleskopas (GBT) Vakarų Virdžinijoje. Kreditas: GBO / AUI / NSF

„Ši spinduliuotė atitinka 8 milijonų tonų masės nuostolius per sekundę! jis pasakė. „Nors tai atrodo daug, tai tik maža dalis – 3 dalys iš tūkstančio milijardų milijardų (!) – pulsaro masės per sekundę. Tyrėjai taip pat labai tiksliai išmatavo pulsarų orbitos orientacijos pokyčius – reliatyvistinį efektą, kuris pirmą kartą buvo pastebėtas Merkurijaus orbitoje – ir vieną iš paslapčių, kurias padėjo išspręsti Einšteino GR teorija.

Tik čia poveikis buvo 140 000 kartų stipresnis, todėl komanda suprato, kad taip pat reikia atsižvelgti į pulsaro sukimosi poveikį aplinkiniam erdvėlaikiui. Lens-Thirring efektas arba „kadro vilkimas“. Kaip teigia dr. Norbertas Wexas iš MPIfR, kito pagrindinio tyrimo autoriaus, tai leido pasiekti dar vieną proveržį:

„Mūsų eksperimente tai reiškia, kad vidinę pulsaro struktūrą turime laikyti a neutroninė žvaigždė. Taigi, mūsų matavimai leidžia mums pirmą kartą panaudoti tikslų neutroninės žvaigždės sukimosi sekimą – metodą, kurį vadiname pulsariniu laiku, kad būtų suvaržyti neutroninės žvaigždės išplėtimas.

Kitas vertingas šio eksperimento pavyzdys buvo tai, kaip komanda sujungė papildomus stebėjimo metodus, kad gautų labai tikslius atstumo matavimus. Panašiems tyrimams dažnai trukdė prastai apriboti atstumo įverčiai praeityje. Sujungusi pulsaro laiko nustatymo metodą su kruopščiais interferometriniais matavimais (ir ISM poveikiu), komanda gavo 2400 šviesmečių didelės skiriamosios gebos rezultatą su 8% paklaida.

Nauji neutroninių žvaigždžių susidūrimo stebėjimai meta iššūkį kai kurioms esamoms teorijoms

Menininko iliustruota dviejų susiliejančių neutroninių žvaigždžių iliustracija. Siauri pluoštai vaizduoja gama spindulių pliūpsnį, o banguojantis erdvėlaikio tinklelis rodo izotropines gravitacines bangas, apibūdinančias susijungimą. Kreditas: NSF / LIGO / Sonomos valstijos universitetas / A. Simonnet

Galų gale komandos rezultatai ne tik atitiko GR, bet ir galėjo pamatyti poveikį, kurio anksčiau nebuvo galima ištirti. Kaip Paulo Freire, kitas tyrimo bendraautoris (taip pat iš MPIfR), išreiškė:

„Mūsų rezultatai puikiai papildo kitus eksperimentinius tyrimus, kurie tikrina gravitaciją kitomis sąlygomis arba mato skirtingus efektus, pvz., gravitacinių bangų detektorius ar Event Horizon teleskopą. Jie taip pat papildo kitus pulsaro eksperimentus, pavyzdžiui, mūsų laiko nustatymo eksperimentą su pulsaru triguboje žvaigždžių sistemoje, kuris suteikė nepriklausomą (ir puikų) laisvojo kritimo universalumo testą.

„Mes pasiekėme pasiektą tikslumo lygį“, – sakė prof. Krameris padarė išvadą. „Ateities eksperimentai su dar didesniais teleskopais gali ir bus dar toliau. Mūsų darbas parodė, kaip reikia atlikti tokius eksperimentus ir į kokius subtilius padarinius dabar reikia atsižvelgti. Ir galbūt vieną dieną rasime nukrypimą nuo bendrojo reliatyvumo.

READ  netinkama! NASA astronautas šiuo metu planuoja grįžti į Žemę Rusijos erdvėlaiviu

Straipsnis, kuriame aprašomi jų tyrimai, neseniai pasirodė žurnale Fizinė apžvalga X,

Iš pradžių paskelbta Visata šiandien.

Daugiau apie šį tyrimą:

Nuoroda: M. Kramer ir kt. „Tvirto lauko gravitacijos bandymai su dvigubu pulsaru“, 2021 m. gruodžio 13 d. Fizinė apžvalga X.
DOI: 10.1103 / PhysRevX.11.041050

Parašykite komentarą

El. pašto adresas nebus skelbiamas. Būtini laukeliai pažymėti *