Astronomer er vidne til rumtidens slæb i kosmisk stjernedans

Et internationalt hold af astrofysikere ledet af den australske professor Matthew Bailes, fra ARC Center of Excellence of Gravitational Wave Discovery (OzGrav), har vist spændende nye beviser for 'frame-dragging' - hvordan et himmellegemes rotation forvrider rum og tid - efter at have sporet et eksotisk stjernepars kredsløb i næsten to årtier. Dataene, hvilket er yderligere bevis for Einsteins teori om generel relativitet, udkommer i dag i tidsskriftet Videnskab .

For mere end et århundrede siden, Albert Einstein offentliggjorde sin ikoniske teori om generel relativitet - at tyngdekraften opstår fra rummets og tidens krumning, og at objekter, såsom Solen og Jorden, ændre denne geometri. Fremskridt inden for instrumentering har ført til en strøm af nyere (nobelprisvindende) videnskab fra fænomener længere væk forbundet med generel relativitet. Opdagelsen af ​​gravitationsbølger blev annonceret i 2016; det første billede af en sort huls skygge og stjerner, der kredser om det supermassive sorte hul i midten af ​​vores egen galakse, blev offentliggjort sidste år.

For næsten 20 år siden, et hold ledet af Swinburne University of Technologys professor Bailes – direktør for ARC Center of Excellence in Gravitational Wave Discovery (OzGrav) – begyndte at observere to stjerner, der roterede rundt om hinanden med forbløffende hastigheder med CSIRO Parkes 64-meter radioteleskop. Den ene er en hvid dværg, jordens størrelse, men 300, 000 gange dens tæthed; den anden er en neutronstjerne, som mens kun 20 kilometer i diameter, er omkring 100 milliarder gange Jordens tæthed. Systemet, som blev opdaget ved Parkes, er et relativistisk vidundersystem, der går under navnet "PSR J1141-6545."

Før stjernen eksploderede (blev en neutronstjerne), for en million år siden, den begyndte at svulme op og kasserede sin ydre kerne, som faldt ned på den hvide dværg i nærheden. Dette faldende affald fik den hvide dværg til at spinde hurtigere og hurtigere, indtil dens dag kun blev målt i minutter.

I 1918 (tre år efter Einstein offentliggjorde sin teori), De østrigske matematikere Josef Lense og Hans Thirring indså, at hvis Einstein havde ret, skulle alle roterende kroppe 'slæbe' selve rumtiden rundt med sig. I hverdagen, effekten er minimal og næsten uopdagelig. Tidligere i dette århundrede, det første eksperimentelle bevis for denne effekt blev set i gyroskoper, der kredsede om Jorden, hvis orientering blev trukket i retning af Jordens spin. En hurtigt snurrende hvid dværg, som den i PSR J1141-6545, trækker rumtiden 100 millioner gange så stærkt!

En pulsar i kredsløb omkring sådan en hvid dværg giver en unik mulighed for at udforske Einsteins teori i et nyt ultrarelativistisk regime.

Hovedforfatter af den aktuelle undersøgelse, Dr. Vivek Venkatraman Krishnan (fra Max Planck Institute for Radio Astronomy—MPIfR) fik den uundværlige opgave at udrede alle de konkurrerende relativistiske effekter, der er på spil i systemet som en del af hans ph.d. ved Swinburne University of Technology. Han bemærkede, at medmindre han tillod en gradvis ændring i orienteringen af ​​kredsløbets plan, Generel relativitet gav ingen mening.

MPIfR's Dr. Paulo Friere indså, at rammetræk af hele kredsløbet kunne forklare deres vippebane, og holdet præsenterer overbevisende beviser til støtte for dette i dagens tidsskriftsartikel - det viser, at generel relativitet er i live og har det godt, udstiller endnu en af ​​sine mange forudsigelser.

Resultatet er især glædeligt for teammedlemmer Bailes, Willem van Straten (Auckland University of Tech) og Ramesh Bhat (ICRAR-Curtin), som har været på vandring ud til Parkes 64m teleskop siden begyndelsen af ​​2000'erne, tålmodigt at kortlægge kredsløbet med det ultimative mål at studere Einsteins univers. "Dette gør alle de sene nætter og tidlige morgener umagen værd, " sagde Bhat.

Ekspertkommentar:

Hovedforfatter Vivek Venkatraman Krishnan, Max Planck Institute for Radio Astronomy (MPIfR):"Til at begynde med, stjerneparret så ud til at udvise mange af de klassiske effekter, som Einsteins teori forudsagde. Vi bemærkede derefter en gradvis ændring i orienteringen af ​​banens plan."

"Pulsarer er kosmiske ure. Deres høje rotationsstabilitet betyder, at enhver afvigelse til dens pulsers forventede ankomsttidspunkt sandsynligvis skyldes pulsarens bevægelse eller på grund af de elektroner og magnetiske felter, som pulserne møder. Pulsar-timing er en kraftfuld teknik, hvor vi brug atomure ved radioteleskoper til at estimere pulsernes ankomsttid fra pulsaren til meget høj præcision. Pulsarens bevægelse i dens kredsløb modulerer ankomsttiden, derved muliggør dens måling."

Dr. Paulo Freire:"Vi postulerede, at dette kunne være, i det mindste delvist, på grund af den såkaldte 'frame-dragging', som alt stof er underlagt i nærværelse af et roterende legeme som forudsagt af de østrigske matematikere Lense og Thirring i 1918."

Professor Thomas Tauris, Aarhus Universitet:"I et stjernepar, den første stjerne, der kollapser, roterer ofte hurtigt på grund af efterfølgende masseoverførsel fra dens ledsager. Tauris' simuleringer hjalp med at kvantificere størrelsen af ​​den hvide dværgs spin. I dette system bliver hele kredsløbet trukket rundt af den hvide dværgs spin, som er forkert tilpasset kredsløbet."

Dr. Norbert Wex, Max Planck Institute for Radio Astronomy (MPIfR):"En af de første bekræftelser af frame-dragging brugte fire gyroskoper i en satellit i kredsløb om Jorden, men i vores system er virkningerne 100 millioner gange stærkere."

Evan Keane (SKA Organisation):"Pulsarer er superure i rummet. Superure i stærke gravitationsfelter er Einsteins drømmelaboratorier. Vi har studeret en af ​​de mest usædvanlige af disse i dette binære stjernesystem. Behandling af de periodiske lysimpulser fra pulsaren som tikken på et ur, kan vi se og adskille mange gravitationseffekter, når de ændrer orbitalkonfigurationen, og ankomsttidspunktet for clock-tick-impulserne. I dette tilfælde har vi set Lens-Thirring præcession, en forudsigelse af generel relativitet, for første gang i ethvert stjernesystem."

Willem van Straten (AUT):"Efter at have udelukket en række potentielle eksperimentelle fejl, Vi begyndte at mistænke, at interaktionen mellem den hvide dværg og neutronstjernen ikke var så enkel, som man hidtil havde antaget."