Astrofysikere bekræfter hjørnestenen i Einsteins relativitetsteori

Et internationalt samarbejde af videnskabsmænd har registreret den mest nøjagtige bekræftelse til dato for en af ​​hjørnestenene i Einsteins generelle relativitetsteori, "det frie falds universalitet."

Den nye forskning viser, at teorien holder for stærkt selvgraviterende objekter som neutronstjerner. Ved hjælp af et radioteleskop, videnskabsmænd kan meget nøjagtigt observere signalet produceret af pulsarer, en type neutronstjerne og test gyldigheden af ​​Einsteins tyngdekraftsteori for disse ekstreme objekter. I særdeleshed, holdet analyserede signalerne fra en pulsar ved navn "PSR J0337+1715" optaget af det store radioteleskop i Nançay, beliggende i hjertet af Sologne (Frankrig).

Princippet om frit falds universalitet siger, at to kroppe, der falder i et gravitationsfelt, gennemgår den samme acceleration uafhængigt af deres sammensætning. Dette blev først demonstreret af Galileo, som berømt ville have tabt genstande af forskellig masse fra toppen af ​​Pisas tårn for at bekræfte, at de begge når jorden samtidigt.

Dette princip er også kernen i Einsteins generelle relativitetsteori. Imidlertid, nogle hints såsom uoverensstemmelsen mellem kvantemekanik og generel relativitetsteori, eller gåden om dominansen af ​​mørkt stof og mørk energi i universets sammensætning, har fået mange fysikere til at tro, at generel relativitetsteori måske ikke er, trods alt, den ultimative teori om tyngdekraften.

Observationerne af Pulsar J0337+1715, som er en neutronstjerne med en stjernekerne på 1,44 gange Solens masse, der er kollapset til en kugle på kun 25 km i diameter, viser, at den kredser om to hvid-dværgstjerner, som har et meget svagere tyngdefelt. Fundene, offentliggjort i dag i tidsskriftet Astronomi og astrofysik , demonstrere princippet om frit falds universalitet for at være korrekt.

Dr. Guillaume Voisin fra University of Manchester, der ledede forskningen, sagde:"Pulsaren udsender en stråle af radiobølger, som fejer hen over rummet. Ved hver drejning skaber dette et glimt af radiolys, som optages med høj nøjagtighed af Nançays radioteleskop. Mens pulsaren bevæger sig i sin bane, lysets ankomsttid på Jorden er forskudt. Det er den nøjagtige måling og matematisk modellering, ned til en nanosekunds nøjagtighed, af disse ankomsttider, der gør det muligt for videnskabsmænd med udsøgt præcision at udlede stjernens bevægelse.

"Først og fremmest, det er den unikke konfiguration af det system, beslægtet med Jord-Måne-Sol-systemet med tilstedeværelsen af ​​en anden ledsager (der spiller rollen som Solen), som de to andre stjerner 'falder' mod (kredsløb), som har tilladt at udføre en stjerneversion af Galileos berømte eksperiment fra Pisas tårn. To legemer af forskellig sammensætning falder med samme acceleration i tyngdefeltet som en tredje."

"Pulsaren udsender en stråle af radiobølger, som fejer hen over rummet. Ved hver drejning skaber dette et glimt af radiolys, som optages med høj nøjagtighed af Nançays radioteleskop. Når pulsaren bevæger sig i sin bane, lysets ankomsttid på Jorden er forskudt. Det er den nøjagtige måling og matematisk modellering, ned til en nanosekunds nøjagtighed, af disse ankomsttider, der gør det muligt for videnskabsmænd med udsøgt præcision at udlede stjernens bevægelse, " siger Dr. Guillaume Voisin.

Målingerne blev registreret af et samarbejdende team fra University of Manchester, Paris Observatorium-PSL, det franske CNRS og LPC2E (Orléans, Frankrig), og Max Planck Institute for Radio Astronomy. Pulsaren kredser om to hvide dværgstjerner, hvoraf den ene kredser om pulsaren på kun 1,6 dage i en afstand omkring 10 gange tættere på pulsaren, end planeten Merkur er fra Solen. Dette binære system, lidt ligesom Jorden og Månen i solsystemet, kredser med en tredje stjerne, en hvid dværg på 40 % af solens masse, placeret lidt længere end afstanden, der adskiller Jord-Måne-systemet fra Solen.

I solsystemet, Lunar-laser range-eksperimentet har tilladt at verificere, at både Månen og Jorden er identisk påvirket af Solens tyngdefelt, som forudsagt af frit falds universalitet (kredsløbsbevægelse er en form for frit fald). Imidlertid, det er kendt, at nogle afvigelser til universalitet kun kan forekomme for stærkt selvgraviterende objekter, såsom neutronstjerner, det vil sige objekter, hvis masse i væsentlig grad er lavet af deres egen gravitationsenergi takket være den berømte Einsteins relation E=mc2. Det nye pulsareksperiment udført af holdet udfylder hullet efter solsystemtests, hvor ingen genstand er stærkt selvgraviterende, ikke engang Solen.

Holdet har vist, at pulsarens ekstreme gravitationsfelt ikke kan afvige med mere end 1,8 ppm (med et konfidensniveau på 95%) fra forudsigelsen af ​​den generelle relativitetsteori. Dette resultat er den mest nøjagtige bekræftelse af, at universaliteten af ​​frit fald er gyldig selv i nærværelse af et objekt, hvis masse i høj grad skyldes dets eget tyngdefelt, understøtter dermed Einsteins generelle relativitetsteori yderligere.

Papiret, "En forbedret test af det stærke ækvivalensprincip med pulsaren i et tredobbelt stjernesystem, " af Voisin et al. er udgivet i Astronomi og astrofysik .