Izazivanje Einsteinove najveće teorije s ekstremnim zvijezdama
Istraživači sa Sveučilišta East Anglia i Sveučilišta u Manchesteru pomogli su u provedbi 16-godišnjeg eksperimenta kako bi se osporila Einsteinova teorija opće relativnosti. Međunarodni tim je gledao u zvijezde - par ekstremnih zvijezda nazvanih pulsari - kroz sedam radioteleskopa diljem svijeta i upotrijebili su ih da izazovu Einsteinovu najpoznatiju teoriju s nekim od najrigoroznijih testova do sada. Studija otkriva nove relativističke učinke koji su, iako očekivani, sada prvi put uočeni.
Dr. Robert Ferdman, iz UEA-ine škole fizike, rekao je: "Koliko god se Einsteinova teorija opće relativnosti pokazala spektakularno uspješnom, znamo da to nije posljednja riječ u teoriji gravitacije. Više od 100 godina kasnije, znanstvenici diljem svijeta nastavljaju svoje napore da pronađu nedostatke u njegovoj teoriji."
Opća relativnost nije kompatibilna s drugim temeljnim silama koje opisuje kvantna mehanika. Stoga je važno nastaviti postavljati najstrože moguće testove opće relativnosti, kako bi se otkrilo kako i kada se teorija raspada.
"Pronalaženje bilo kakvog odstupanja od opće relativnosti predstavljalo bi veliko otkriće koje bi otvorilo prozor u novu fiziku izvan našeg trenutnog teorijskog razumijevanja svemira. I može nam pomoći da konačno otkrijemo jedinstvenu teoriju o temeljnim silama prirode", rekao je Ferdman.
Predvođen Michaelom Kramerom s Instituta Max Planck za radioastronomiju u Bonnu u Njemačkoj, međunarodni tim istraživača iz deset zemalja stavio je Einsteinovu teoriju na najrigoroznije testove do sada.
Dr. Ferdman je rekao: "Pulsar je visoko magnetizirana rotirajuća kompaktna zvijezda koja emitira snopove elektromagnetskog zračenja iz svojih magnetskih polova. Pulsari su teži od našeg Sunca, ali su široki samo oko 15 milja – tako da su nevjerojatno gusti objekti koji proizvode radio-zrake koje šire nebo poput svjetionika."
"Proučavali smo dvostruki pulsar, koji su otkrili članovi tima 2003. godine i koji predstavlja najprecizniji laboratorij koji trenutno imamo za testiranje Einsteinove teorije. Naravno, njegova teorija je nastala kada se nisu mogle zamisliti ni ove vrste ekstremnih zvijezda, niti tehnike koje se koriste za njihovo proučavanje", rekao je.
Dvostruki pulsar sastoji se od dva pulsara koji kruže jedan oko drugog za samo 147 minuta s brzinama od oko 1 milijun km/h. Jedan pulsar se vrti vrlo brzo, oko 44 puta u sekundi. Suputnik je mlad i ima period rotacije od 2,8 sekundi. Njihovo gibanje jedno oko drugog može se koristiti kao gotovo savršen gravitacijski laboratorij.
Za promatranje ovog dvostrukog pulsara korišteno je sedam osjetljivih radioteleskopa – u Australiji, SAD-u, Francuskoj, Njemačkoj, Nizozemskoj i Velikoj Britaniji. Profesor Kramer je rekao: "Proučavali smo sustav kompaktnih zvijezda koji je laboratorij bez premca za testiranje teorija gravitacije u prisutnosti vrlo jakih gravitacijskih polja."
"Na naše zadovoljstvo uspjeli smo testirati kamen temeljac Einsteinove teorije, energiju koju nose gravitacijski valovi, s preciznošću koja je 25 puta bolja nego kod Hulse-Taylorovog pulsara dobitnika Nobelove nagrade i 1000 puta bolja nego što je trenutno moguće s detektorima gravitacijskih valova", rekao je i objasnio da se zapažanja ne samo slažu s teorijom, već su također mogli vidjeti efekte koji se prije nisu mogli proučavati.
Profesor Benjamin Stappers sa Sveučilišta u Manchesteru rekao je: "Otkriće dvostrukog pulsarnog sustava napravljeno je kao dio istraživanja koje je zajedno vodilo Sveučilište u Manchesteru i predstavilo nam je jedini poznati primjer dva kozmička sata koji omogućuju precizno mjerenje strukture i evolucije intenzivnog gravitacijskog polja. Lovellov teleskop u opservatoriju Jodrell Bank prati ga svakih nekoliko tjedana od tada. Ova duga baza visoke kvalitete i čestih promatranja pružila je izvrstan skup podataka za kombiniranje s onima iz zvjezdarnica diljem svijeta."
Profesorica Ingrid Stairs sa Sveučilišta British Columbia u Vancouveru rekla je: "Pratimo širenje radio fotona emitiranih iz kozmičkog svjetionika, pulsara, i pratimo njihovo kretanje u jakom gravitacijskom polju pratećeg pulsara. Prvi put vidimo kako svjetlost nije samo odgođena zbog snažne zakrivljenosti prostor-vremena oko suputnika, već i da je svjetlost odbijena za mali kut od 0,04 stupnja koji možemo detektirati. Nikada prije nije proveden takav eksperiment na tako velikoj prostorno-vremenskoj zakrivljenosti."
Profesor Dick Manchester iz australske nacionalne znanstvene agencije CSIRO rekao je: "Tako brzo orbitalno gibanje kompaktnih objekata poput ovih omogućava nam da testiramo mnoga različita predviđanja opće teorije relativnosti - ukupno sedam! Osim gravitacijskih valova i širenja svjetlosti, naša preciznost nam također omogućuje mjerenje učinka "dilatacije vremena" zbog koje satovi rade sporije u gravitacijskim poljima.
Manchester je dodao da čak moraju uzeti u obzir Einsteinovu poznatu jednadžbu E = mc2 kada razmatraju učinak elektromagnetskog zračenja koje emitira pulsar koji se brzo okreće na orbitalno gibanje.
Istraživači su također izmjerili - s preciznošću od 1 dio u milijun - da orbita mijenja svoju orijentaciju, relativistički učinak također dobro poznat iz orbite Merkura, ali ovdje 140 000 puta jači. Shvatili su da na ovoj razini preciznosti također trebaju uzeti u obzir utjecaj rotacije pulsara na okolno prostor-vrijeme, koje se "vuče zajedno" s pulsarom koji se vrti.
Dr. Norbert Wex iz MPIfR-a, još jedan autor studije, rekao je: "Fizičari to zovu Lense-Thirring efekt ili povlačenje okvira. U našem eksperimentu to znači da unutarnju strukturu pulsara trebamo razmotriti kao neutronsku zvijezdu. Stoga nam naša mjerenja po prvi put omogućuju korištenje preciznog praćenja rotacija neutronske zvijezde, tehnike koju nazivamo pulsarnim mjerenjem kako bismo osigurali ograničenja na produžetku neutronske zvijezde."
Tehnika mjerenja vremena pulsara kombinirana je s pažljivim interferometrijskim mjerenjima sustava kako bi se odredila njegova udaljenost pomoću snimanja visoke razlučivosti, što je rezultiralo vrijednošću od 2400 svjetlosnih godina sa samo 8 posto margine pogreške.
Profesor Adam Deller sa Sveučilišta Swinburne u Australiji, koji je odgovoran za ovaj dio eksperimenta, rekao je: "Kombinacija različitih komplementarnih tehnika promatranja doprinosi ekstremnoj vrijednosti eksperimenta. U prošlosti su slične studije često bile otežane zbog ograničenog znanja o udaljenosti takvih sustava."
Ovdje to nije slučaj, gdje su uz pulsarno vrijeme i interferometriju pažljivo uzete u obzir i informacije dobivene efektima zbog međuzvjezdanog medija.
Profesor Kramer dodao je: "Dostigli smo razinu preciznosti koja je bez presedana. Budući eksperimenti s još većim teleskopima mogu i ići će još dalje. Naš rad je pokazao način na koji se takvi eksperimenti trebaju provoditi i koje suptilne učinke sada treba uzeti u obzir. I možda ćemo jednog dana pronaći odstupanje od opće relativnosti."
Izvor: Physical Review X