Stærkere test af Einsteins teori om generel relativitet med binære neutronstjerner

Einsteins generelle relativitetsteori har modstået 100 års eksperimentel kontrol. Imidlertid, disse tests begrænser ikke, hvor godt de meget stærke gravitationsfelter, der produceres ved sammenlægning af neutronstjerner, adlyder denne teori. Ny, mere sofistikerede teknikker kan nu søge efter afvigelser fra generel relativitet med hidtil uset følsomhed. Forskere ved Max Planck Institutes for Gravitational Physics og for Radio Astronomy studerede to fremmeste værktøjer til at teste tyngdekraftens stærke feltregime-pulsar timing og gravitationsbølgeobservationer-og demonstrerede, hvordan kombination af disse metoder kan sætte alternative teorier om generel relativitetsteori til prøve.

Først for nylig, neutronstjerner er blevet observeret gennem gravitationsbølger. Den 17. august, 2017, LIGO-Virgo-detektornetværket målte gravitationsbølger fra sammenlægningen af ​​to neutronstjerner. Disse eksotiske objekter består af utroligt tæt stof; en typisk neutronstjerne vejer op til dobbelt så meget vores sol, men har en diameter på kun 20 kilometer. I år er det 50-års jubilæum for den første observation af neutronstjerner, som pulsarer. Den præcise karakter af et så ekstremt tæt stof er forblevet et mysterium i årtier.

Forfatterne undersøgte tyngdekraftsteorier, hvor de stærke gravitationsfelter inden for neutronstjerner adskiller sig fra dem, der forudsiges ved generel relativitet. Denne stærke feltafvigelse får binære systemer til at udstråle energi og fusionere hurtigere end i generel relativitet-en adfærd, der bør ses i neutronstjernens observationer.

"Gravitationsacceleration på en neutronstjernes overflade er omkring 2 × 1011 gange Jordens, hvilket gør dem til fremragende objekter til at studere Einsteins generelle relativitet og alternative teorier i stærkefeltregimet, "forklarer Dr. Lijing Shao, hovedforfatter af undersøgelsen. "I en systematisk undersøgelse med pulsar timing teknologier, vi var i stand til at sætte begrænsninger på en klasse af alternative tyngdekraftsteorier, der for første gang i detaljer viser, hvordan de afhænger af fysikken i det ekstremt tætte stof, de indeholder. "Dette er kodet som" tilstandsligningen "for neutronstjerner, som er endnu usikker.

Shao, der var postdoc ved Max Planck Institute for Gravitational Physics (Albert Einstein Institute/AEI), da han arbejdede på projektet og skrev papiret flyttede til Max Planck Institute for Radio Astronomy i september 2017. Han og hans kolleger studerede elleve mulige statsligninger for fem binære-pulsarsystemer, hver af dem en kombination af en neutronstjerne og en hvid dværg. De opdagede, at de nuværende bedste begrænsninger på modificeret tyngdekraft fra binære pulsarer har huller, som gravitationsbølgedetektorer kunne udfylde. "Under det andet observationsløb har LIGO og Jomfru allerede bevist, at de er følsomme nok til at opdage binære neutronstjerner, og deres følsomhed vil blive yderligere forbedret i de næste par år, når Advanced LIGO og Virgo -konfigurationen opnås, "siger ph.d. -studerende Noah Sennett, anden forfatter til papiret. "LIGO-Virgo-detektorerne kan snart opdage binære neutronstjernersystemer med passende masser, der kan forbedre de begrænsninger, der er fastsat af binær-pulsar-tests for visse statsligninger og dermed sætte Einsteins generelle relativitet og alternative teorier til en kvalitativt ny test, "siger professor Alessandra Buonanno, direktør for Astrofysisk og kosmologisk relativitet ved AEI i Potsdam og medforfatter af papiret.

Fremtidige gravitationsbølgedetektorer som Einstein-teleskopet vil yderligere forbedre disse tests og i sidste ende lukke hullet i de nuværende begrænsninger. Supplerende test af tyngdekraften i stærke felter vil blive en realitet i den nærmeste fremtid.