Rádio Pulsar Binary dává Einsteinovi alespoň na 99,99 % pravdu

Uplynulo více než sto let od doby, kdy Einstein formalizoval svou teorii obecné relativity (GR), geometrickou teorii gravitace, která způsobila revoluci v našem chápání vesmíru. Astronomové ji přesto stále podrobují přísným testům a doufají, že najdou odchylky od této zavedené teorie. Důvod je jednoduchý: jakýkoli náznak fyziky mimo GR by otevřel nová okna do vesmíru a pomohl vyřešit některé z nejhlubších záhad o vesmíru.

Jeden z nejpřísnějších testů vůbec nedávno provedl mezinárodní tým vedený astronomy Michaelem Kramerem z Institutu Maxe Plancka pro radioastronomii (MPIfR) v německém Bonnu. Pomocí sedmi radioteleskopů z celého světa Kramer a jeho kolegové 16 let pozorovali unikátní pár pulsarů. V tomto procesu poprvé pozorovali účinky předpovídané GR as an přesně minimálně 99,99 %!

Kromě výzkumníků z MPIfR se ke Kramerovi a jeho spolupracovníkům připojili výzkumníci z institucí v deseti různých zemích – včetně Jodrell Bank Center for Astrophysics (UK), ARC Center of Excellence for Gravitational Wave Discovery (Austrálie), Perimeter Institute pro teoretickou fyziku (Kanada), Observatoire de Paris (Francie), Osservatorio Astronomico di Cagliari (Itálie), Jihoafrická radioastronomická observatoř (SARAO), Nizozemský institut pro radioastronomii (ASTRON) a Observatoř Arecibo.

Pulsary jsou rychle rotující neutronové hvězdy, které vyzařují úzké, široké paprsky rádiových vln. Poděkování: Goddard Space Flight Center NASA

„Radiopulsary“ jsou speciální třídou rychle rotujících, vysoce magnetizovaných neutronových hvězd. Tyto superhusté objekty vysílají ze svých pólů silné rádiové paprsky, které (v kombinaci s jejich rychlou rotací) vytvářejí stroboskopický efekt, který připomíná maják. Astronomy fascinují pulsary, protože poskytují množství informací o fyzice, která řídí ultrakompaktní objekty, magnetická pole, mezihvězdné médium (ISM), planetární fyziku a dokonce i kosmologii.

Extrémní gravitační síly navíc umožňují astronomům testovat předpovědi provedené gravitačními teoriemi, jako je GR a Modifikovaná Newtonova dynamika (MOND) za některých z nejextrémnějších podmínek, jaké si lze představit. V zájmu své studie Kramer a jeho tým zkoumali PSR J0737-3039 A/B, systém „Double Pulsar“, který se nachází 2 400 světelných let od Země v souhvězdí štěně.

Tento systém je jediným rádiem pulsar dvojhvězda, která byla kdy pozorována a byla objevena v roce 2003 členy výzkumného týmu. Dva pulsary, které tvoří tento systém, mají rychlé rotace – 44krát za sekundu (A), jednou za 2,8 sekundy (B) – a obíhají kolem sebe s periodou pouhých 147 minut. I když jsou asi o 30 % hmotnější než Slunce, měří jen asi 24 km (15 mi) v průměru. Proto jejich extrémní gravitační síla a intenzivní magnetická pole.

Kromě těchto vlastností, rychlá oběžná doba tohoto systému z něj dělá téměř dokonalou laboratoř pro testování teorií gravitace. Jak říká prof. Kramer řekl v nedávné tiskové zprávě MPIfR:

„Studovali jsme systém kompaktních hvězd, který je bezkonkurenční laboratoří pro testování teorií gravitace v přítomnosti velmi silných gravitačních polí. K našemu potěšení jsme mohli otestovat základní kámen Einsteinovy ​​teorie, energii, kterou nese gravitační vlnys přesností, která je 25krát lepší než u pulsaru Hulse-Taylora oceněného Nobelovou cenou a 1000krát lepší, než je v současnosti možné s detektory gravitačních vln.“

Umělecký dojem z dráhy hvězdy S2 procházející velmi blízko k Sagittarius A*, což také umožňuje astronomům testovat předpovědi obecné teorie relativity za extrémních podmínek. Kredit: ESO/M. Kornmesser

Pro 16letou pozorovací kampaň bylo použito sedm radioteleskopů, včetně Parkes radioteleskop (Austrálie), Green Bank Telescope (USA), Nançay Radio Telescope (Francie), Effelsberg 100-m dalekohled (Německo), Lovell Radio Telescope (Velká Británie), Westerbork Synthesis Radio Telescope (Nizozemsko) a Very Long Baseline Array (USA).

Tyto observatoře pokrývaly různé části rádiového spektra v rozsahu od 334 MHz a 700 MHz do 1300 – 1700 MHz, 1484 MHz a 2520 MHz. Při tom byli schopni vidět, jak byly fotony pocházející z tohoto binárního pulsaru ovlivněny jeho silnou gravitační silou. Jako spoluautor studie Prof. Ingrid Stairs z University of British Columbia (UBC) ve Vancouveru vysvětlila:

„Sledujeme šíření rádiových fotonů emitovaných z kosmického majáku, pulsaru, a sledujeme jejich pohyb v silném gravitačním poli doprovodného pulsaru. Poprvé vidíme, jak je světlo nejen zpožděno kvůli silnému zakřivení časoprostoru kolem společníka, ale také to, že světlo je vychýleno o malý úhel 0,04 stupně, který můžeme detekovat. Nikdy předtím nebyl takový experiment proveden při tak vysokém zakřivení časoprostoru.“

Jako spoluautor prof. Dick Manchester z australské organizace Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization (CSIRO) dodal, že rychlý orbitální pohyb kompaktních objektů, jako jsou tyto, jim umožnil otestovat sedm různých předpovědí GR. Patří mezi ně gravitační vlny, šíření světla („Shapiro zpoždění a ohyb světla), dilatace času, ekvivalence hmoty a energie (E=mc²), a jaký vliv má elektromagnetické záření na orbitální pohyb pulsaru.

Robert C. Byrd Green Bank Telescope (GBT) v Západní Virginii. Kredit: GBO/AUI/NSF

„Toto záření odpovídá ztrátě hmoty 8 milionů tun za sekundu!“ řekl. „I když se to zdá hodně, je to jen nepatrný zlomek – 3 části z tisíce miliard miliard (!) – hmotnosti pulsaru za sekundu.“ Výzkumníci také provedli extrémně přesná měření změn orbitální orientace pulsarů, což je relativistický efekt, který byl poprvé pozorován na oběžné dráze Merkuru – a jednu ze záhad pomohla vyřešit Einsteinova teorie GR.

Pouze zde byl účinek 140 000krát silnější, což vedlo tým k tomu, aby si uvědomil, že je také třeba zvážit dopad rotace pulsaru na okolní časoprostor – alias. efekt Lens-Thirring neboli „přetahování snímku“. Jak říká Dr. Norbert Wex z MPIfR, další hlavní autor studie, to umožnilo další průlom:

„V našem experimentu to znamená, že musíme zvážit vnitřní strukturu pulsaru jako a neutronová hvězda. Naše měření nám tedy poprvé umožňují použít přesné sledování rotace neutronové hvězdy, techniku, kterou nazýváme pulsar timing, která poskytuje omezení pro prodloužení neutronové hvězdy.

Dalším cenným přínosem z tohoto experimentu bylo, jak tým kombinoval doplňkové pozorovací techniky, aby získal vysoce přesná měření vzdálenosti. Podobné studie byly často brzděny špatně omezenými odhady vzdálenosti v minulosti. Kombinací techniky časování pulsaru s pečlivými interferometrickými měřeními (a účinky ISM) tým získal výsledek s vysokým rozlišením 2 400 světelných let s 8% hranicí chyby.

Umělcova ilustrace dvou splývajících neutronových hvězd. Úzké paprsky představují záblesk gama záření, zatímco vlnící se časoprostorová mřížka ukazuje izotropní gravitační vlny, které sloučení charakterizují. Kredit: NSF/LIGO/Sonoma State University/A. Simonnet

Výsledky týmu se nakonec nejen shodovaly s GR, ale byly také schopny vidět účinky, které dříve nebylo možné studovat. Jak Paulo Freire, další spoluautor studie (a také z MPIfR), vyjádřil:

„Naše výsledky pěkně doplňují další experimentální studie, které testují gravitaci za jiných podmínek nebo vidí různé efekty, jako jsou detektory gravitačních vln nebo dalekohled Event Horizon Telescope. Doplňují také další experimenty s pulsarem, jako je náš experiment s načasováním s pulsarem ve hvězdném trojitém systému, který poskytl nezávislý (a skvělý) test univerzálnosti volného pádu.“

„Dosáhli jsme úrovně přesnosti, které je dosaženo,“ řekl prof. uzavřel Kramer. „Budoucí experimenty s ještě většími dalekohledy mohou a budou jít ještě dále. Naše práce ukázala, jak je třeba takové experimenty provádět a které jemné efekty je nyní třeba vzít v úvahu. A možná, že jednoho dne najdeme odchylku od obecné teorie relativity.“

V časopise se nedávno objevil článek, který popisuje jejich výzkum Fyzický přehled X,

Původně odesláno dne Vesmír dnes.

Více o tomto výzkumu:

Odkaz: „Testy gravitace v silném poli s dvojitým pulsarem“ od M. Kramera a kol., 13. prosince 2021, Fyzický přehled X.
DOI: 10.1103/PhysRevX.11.041050