Einsteins relativitetsteori, kritisk for GPS, set i fjerne stjerner

Hvad gør Albert Einstein, Global Positioning System (GPS), og et par stjerner 200, 000 billioner miles fra Jorden har til fælles?

Svaret er en effekt fra Einsteins generelle relativitetsteori kaldet "gravitationel rødforskydning, "hvor lyset flyttes til rødere farver på grund af tyngdekraften. Ved hjælp af NASAs Chandra X-ray Observatory, astronomer har opdaget fænomenet i to stjerner, der kredser om hinanden i vores galakse omkring 29, 000 lysår (200, 000 billioner miles) væk fra Jorden. Mens disse stjerner er meget fjerne, gravitationelle rødforskydninger har mærkbare indvirkninger på det moderne liv, som videnskabsmænd og ingeniører skal tage hensyn til dem for at muliggøre nøjagtige positioner for GPS.

Mens videnskabsmænd har fundet uomtvistelige beviser for gravitationelle rødforskydninger i vores solsystem, det har været udfordrende at observere dem i fjernere objekter på tværs af rummet. De nye Chandra-resultater giver overbevisende beviser for gravitationelle rødforskydningseffekter på spil i nye kosmiske omgivelser.

Det spændende system kendt som 4U 1916-053 indeholder to stjerner i en bemærkelsesværdig tæt bane. Den ene er kernen af ​​en stjerne, der har fået fjernet sine ydre lag, efterlader en stjerne, der er meget tættere end Solen. Den anden er en neutronstjerne, et endnu tættere objekt skabt, da en massiv stjerne kollapser i en supernovaeksplosion. Neutronstjernen (grå) er vist i denne kunstners aftryk i midten af ​​en skive af varm gas trukket væk fra dens ledsager (hvid stjerne til venstre).

Disse to kompakte stjerner er kun omkring 215, 000 miles fra hinanden, cirka afstanden mellem Jorden og Månen. Mens månen kredser om vores planet en gang om måneden, den tætte ledsagerstjerne i 4U 1916-053 pisker rundt om neutronstjernen og fuldfører en fuld bane på kun 50 minutter.

I det nye værk om 4U 1916-053, holdet analyserede røntgenspektre - dvs. mængderne af røntgenstråler ved forskellige bølgelængder - fra Chandra. De fandt den karakteristiske signatur af absorptionen af ​​røntgenlys af jern og silicium i spektrene. I tre separate observationer med Chandra, dataene viser et kraftigt fald i den detekterede mængde røntgenstråler tæt på de bølgelængder, hvor jern- eller siliciumatomerne forventes at absorbere røntgenstrålerne. Et af spektrene, der viser absorption af jern - dipsene til venstre og højre - er inkluderet i hovedgrafikken. En yderligere grafik viser et spektrum med absorption af silicium. I begge spektre er dataene vist i gråt og en computermodel i rødt.

Imidlertid, bølgelængderne af disse karakteristiske signaturer af jern og silicium blev flyttet til længere, eller rødere bølgelængder sammenlignet med laboratorieværdierne fundet her på Jorden (vist med blå, lodret linje for hver absorptionssignatur). Forskerne fandt ud af, at skiftet af absorptionsegenskaberne var det samme i hver af de tre Chandra-observationer, og at den var for stor til at kunne forklares med bevægelse væk fra os. I stedet konkluderede de, at det var forårsaget af gravitationel rødforskydning.

Hvordan hænger dette sammen med Generel Relativitet og GPS? Som forudsagt af Einsteins teori, ure under tyngdekraften kører med en langsommere hastighed end ure set fra et fjernt område, der oplever svagere tyngdekraft. Det betyder, at ure på Jorden observeret fra satellitter, der kredser om, kører langsommere. For at have den høje præcision, der er nødvendig for GPS, denne effekt skal tages i betragtning, ellers vil der være små forskelle i tid, som hurtigt vil lægge sig sammen, beregning af unøjagtige positioner.

Alle typer lys, inklusive røntgenstråler, er også påvirket af tyngdekraften. En analogi er, at en person løber op ad en rulletrappe, der er på vej ned. Mens de gør dette, personen mister mere energi, end hvis rulletrappen stod stille eller gik op. Tyngdekraften har en lignende effekt på lys, hvor et tab i energi giver en lavere frekvens. Fordi lys i et vakuum altid bevæger sig med samme hastighed, tabet af energi og lavere frekvens betyder, at lyset, inklusive signaturer af jern og silicium, skifte til længere bølgelængder.

Dette er det første stærke bevis på, at absorptionssignaturer flyttes til længere bølgelængder ved hjælp af tyngdekraften i et par stjerner, der enten har en neutronstjerne eller et sort hul. Stærke beviser for gravitationelle rødforskydninger i absorption er tidligere blevet observeret fra overfladen af ​​hvide dværge, med bølgelængdeforskydninger typisk kun omkring 15 % af det for 4U 1916-053.

Forskere siger, at det er sandsynligt, at en gasatmosfære, der dækker disken nær neutronstjernen (vist i blåt) absorberede røntgenstrålerne, producere disse resultater. (Denne atmosfære er ikke relateret til bulen af ​​rød gas i den ydre del af skiven, der blokerer lys fra den indre del af skiven én gang pr. bane.) Størrelsen af ​​skiftet i spektrene gjorde det muligt for holdet at beregne, hvor langt denne atmosfære er væk fra neutronstjernen, ved at bruge generel relativitet og antage en standardmasse for neutronstjernen. De fandt ud af, at atmosfæren er placeret 1, 500 miles fra neutronstjernen, omkring halvdelen af ​​afstanden fra Los Angeles til New York og svarende til kun 0,7 % af afstanden fra neutronstjernen til ledsageren. Det strækker sig sandsynligvis over flere hundrede miles fra neutronstjernen.

I to af de tre spektre er der også bevis for absorptionssignaturer, der er blevet forskudt til endnu rødere bølgelængder, svarende til en afstand på kun 0,04 % af afstanden fra neutronstjernen til ledsageren. Imidlertid, disse signaturer detekteres med mindre sikkerhed end dem, der er længere væk fra neutronstjernen.

Forskere er blevet tildelt yderligere Chandra-observationstid i det kommende år for at studere dette system mere detaljeret.

Et papir, der beskriver disse resultater, blev offentliggjort den 10. august, 2020-udgave af The Astrofysisk tidsskrift .