Astrofysikere observerer længe teoretiserede kvantefænomener

I hjertet af enhver hvid dværgstjerne – det tætte stjerneobjekt, der er tilbage, efter at en stjerne har brændt sin brændstofreserve af gasser væk, når den nærmer sig slutningen af ​​sin livscyklus – ligger en kvantegåde:som hvide dværge tilføjer masse, de krymper i størrelse, indtil de bliver så små og tæt komprimerede, at de ikke kan holde sig selv, kollapser til en neutronstjerne.

Dette forvirrende forhold mellem en hvid dværgs masse og størrelse, kaldet masse-radius forholdet, blev først teoretiseret af den nobelprisvindende astrofysiker Subrahmanyan Chandrasekhar i 1930'erne. Nu, et hold af Johns Hopkins-astrofysikere har udviklet en metode til at observere selve fænomenet ved hjælp af astronomiske data indsamlet af Sloan Digital Sky Survey og et nyligt datasæt udgivet af Gaia Space Observatory. De kombinerede datasæt gav mere end 3, 000 hvide dværge for holdet at studere.

En rapport om deres resultater, ledet af Hopkins senior Vedant Chandra, er nu under tryk i Astrofysisk tidsskrift og tilgængelig online på arXiv.

"Masse-radius forholdet er en spektakulær kombination af kvantemekanik og tyngdekraft, men det er kontraintuitivt for os - vi tror, ​​at når et objekt får masse, det skal blive større, " siger Nadia Zakamska, en lektor ved Institut for Fysik og Astronomi, der vejledte de studerende forsker. "Teorien har eksisteret i lang tid, men det bemærkelsesværdige er, at det datasæt, vi brugte, er af hidtil uset størrelse og hidtil uset nøjagtighed. Disse målemetoder, som i nogle tilfælde blev udviklet for år siden, pludselig fungerer det så meget bedre, og disse gamle teorier kan endelig undersøges."

Holdet opnåede deres resultater ved hjælp af en kombination af målinger, herunder primært gravitationel rødforskydningseffekt, som er ændringen af ​​lysets bølgelængder fra blåt til rødt, når lys bevæger sig væk fra et objekt. Det er et direkte resultat af Einsteins generelle relativitetsteori.

"Til mig, Det smukke ved dette arbejde er, at vi alle lærer disse teorier om, hvordan lys vil blive påvirket af tyngdekraften i skolen og i lærebøger, men nu ser vi faktisk det forhold i stjernerne selv, " siger femteårs kandidatstuderende Hsiang-Chih Hwang, som foreslog undersøgelsen og først genkendte gravitationel rødforskydningseffekt i dataene.

Holdet skulle også redegøre for, hvordan en stjernes bevægelse gennem rummet kunne påvirke opfattelsen af ​​dens gravitationelle rødforskydning. Svarende til hvordan en brandbilsirene ændrer tonehøjde i henhold til dens bevægelse i forhold til den person, der lytter, lysfrekvenser ændrer sig også afhængigt af bevægelsen af ​​det lysemitterende objekt i forhold til observatøren. Dette kaldes Doppler-effekten, og er i det væsentlige en distraherende "støj", der komplicerer målingen af ​​den gravitationelle rødforskydningseffekt, siger studiebidrager Sihao Cheng, en fjerdeårs kandidatstuderende.

For at tage højde for variationerne forårsaget af Doppler-effekten, holdet klassificerede hvide dværge i deres prøvesæt efter radius. De tog derefter gennemsnittet af rødforskydningerne af stjerner af en lignende størrelse, effektivt at bestemme, at uanset hvor en stjerne selv er placeret, eller hvor den bevæger sig i forhold til Jorden, det kan forventes at have en iboende gravitationel rødforskydning af en vis værdi. Tænk på det som at tage en gennemsnitlig måling af alle tonehøjder for alle brandbiler, der bevæger sig rundt i et givet område på et givet tidspunkt – du kan forvente, at enhver brandbil, uanset hvilken retning det bevæger sig, vil have en iboende tonehøjde på den gennemsnitlige værdi.

Disse iboende gravitationelle rødforskydningsværdier kan bruges til at studere stjerner, der observeres i fremtidige datasæt. Forskerne siger, at kommende datasæt, der er større og mere nøjagtige, vil give mulighed for yderligere finjustering af deres målinger, og at disse data kan bidrage til den fremtidige analyse af hvid dværgs kemiske sammensætning.

De siger også, at deres undersøgelse repræsenterer et spændende fremskridt fra teori til observerede fænomener.

"Fordi stjernen bliver mindre, efterhånden som den bliver mere massiv, den gravitationelle rødforskydningseffekt vokser også med massen, " siger Zakamska. "Og det er lidt nemmere at forstå - det er lettere at komme ud af en mindre tæt, større objekt end det er at komme ud af en mere massiv, mere kompakt objekt. Og det er præcis, hvad vi så i dataene."

Holdet finder endda fangede publikummer til deres forskning derhjemme - hvor de har udført deres arbejde midt i coronavirus-pandemien.

"Måden jeg priste det til min bedstefar er, du ser dybest set kvantemekanik og Einsteins generelle relativitetsteori gå sammen for at producere dette resultat, " siger Chandra. "Han var meget begejstret, da jeg udtrykte det sådan."