Einstein får ret igen - svage og stærke tyngdekraftsobjekter falder på samme måde

Einsteins forståelse af tyngdekraften, som skitseret i hans generelle relativitetsteori, forudsiger, at alle objekter falder med samme hastighed, uanset deres masse eller sammensætning. Denne teori har bestået test efter test her på Jorden, men gælder det stadig for nogle af de mest massive og tætte objekter i det kendte univers, et aspekt af naturen kendt som det stærke ækvivalensprincip? Et internationalt hold af astronomer har givet dette dvælende spørgsmål sin strengeste test nogensinde. Deres resultater, offentliggjort i tidsskriftet Natur , vise, at Einsteins indsigt i tyngdekraften stadig holder magt, selv i et af de mest ekstreme scenarier, universet kan tilbyde.

Fjern al luft, og en hammer og en fjer vil falde i samme hastighed - et koncept udforsket af Galileo i slutningen af ​​1500-tallet og berømt illustreret på Månen af ​​Apollo 15-astronaut David Scott.

Selvom en grundsten for newtonsk fysik, det tog Einsteins tyngdekraftsteori at udtrykke, hvordan og hvorfor det er sådan. Til dato, Einsteins ligninger har bestået alle tests, fra omhyggelige laboratorieundersøgelser til observationer af planeter i vores solsystem. Men alternativer til Einsteins generelle relativitetsteori forudsiger, at kompakte objekter med ekstrem stærk tyngdekraft, som neutronstjerner, falder lidt anderledes end genstande med mindre masse. Den forskel, disse alternative teorier forudsiger, ville skyldes et kompakt objekts såkaldte gravitationsbindingsenergi - den gravitationsenergi, der holder det sammen.

I 2011 National Science Foundations (NSF) Green Bank Telescope (GBT) opdagede et naturligt laboratorium til at teste denne teori under ekstreme forhold:et tredobbelt stjernesystem kaldet PSR J0337+1715, ligger omkring 4, 200 lysår fra Jorden. Dette system indeholder en neutronstjerne i en 1,6-dages kredsløb med en hvid dværgstjerne, og parret i en 327-dages kredsløb med en anden hvid dværg længere væk.

"Dette er et unikt stjernesystem, " sagde Ryan Lynch fra Green Bank Observatory i West Virginia, og medforfatter på papiret. "Vi kender ikke til andre, der kan lide det. Det gør det til et enestående laboratorium til at sætte Einsteins teorier på prøve."

Siden dens opdagelse, det tredobbelte system er blevet observeret regelmæssigt af GBT, Westerbork Synthesis Radio Telescope i Holland, og NSF's Arecibo Observatory i Puerto Rico. GBT har brugt mere end 400 timer på at observere dette system, tager data og beregner, hvordan hvert objekt bevæger sig i forhold til det andet.

Hvordan var disse teleskoper i stand til at studere dette system? Denne særlige neutronstjerne er faktisk en pulsar. Mange pulsarer roterer med en konsistens, der konkurrerer med nogle af de mest præcise atomure på Jorden. "Som et af de mest følsomme radioteleskoper i verden, GBT er klar til at opfange disse svage pulser af radiobølger for at studere ekstrem fysik, " sagde Lynch. Neutronstjernen i dette system pulserer (roterer) 366 gange i sekundet.

"Vi kan redegøre for hver eneste puls af neutronstjernen, siden vi begyndte vores observationer, " sagde Anne Archibald fra University of Amsterdam og det nederlandske institut for radioastronomi og hovedforfatter på papiret. "Vi kan fortælle dets placering inden for et par hundrede meter. Det er et meget præcist spor af, hvor neutronstjernen har været, og hvor den er på vej hen."

Hvis alternativer til Einsteins billede af tyngdekraften var korrekte, så ville neutronstjernen og den indre hvide dværg hver falde forskelligt mod den ydre hvide dværg. "Den indre hvide dværg er ikke så massiv eller kompakt som neutronstjernen, og har dermed mindre tyngdekraftsbindingsenergi, " sagde Scott Ransom, en astronom ved National Radio Astronomy Observatory i Charlottesville, Virginia, og medforfatter på papiret.

Gennem omhyggelige observationer og omhyggelige beregninger, holdet var i stand til at teste systemets tyngdekraft alene ved hjælp af neutronstjernens pulser. De fandt ud af, at enhver accelerationsforskel mellem neutronstjernen og den indre hvide dværg er for lille til at opdage.

"Hvis der er forskel, det er ikke mere end tre dele i en million, " sagde medforfatter Nina Gusinskaia fra Universitetet i Amsterdam. Dette sætter alvorlige begrænsninger på eventuelle alternative teorier til generel relativitet.

Dette resultat er ti gange mere præcist end den tidligere bedste tyngdekraftstest, gør beviset for Einsteins stærke ækvivalensprincip så meget stærkere. "Vi leder altid efter bedre målinger nye steder, så vores søgen efter at lære om nye grænser i vores univers vil fortsætte, " konkluderede Ransom.