Radio Pulsar, Binary Einstein’ın en az %99,99 doğru olduğunu kanıtlıyor

Araştırmacılar, Einstein’ın genel görelilik teorisine meydan okumak için 16 yıllık bir deney yaptılar. Uluslararası ekip, dünyadaki yedi radyo teleskopu aracılığıyla yıldızlara – pulsar adı verilen bir çift aşırı yıldıza – baktı. Kredi: Max Planck Radyo Astronomi Enstitüsü

Einstein’ın evren anlayışımızda devrim yaratan geometrik yerçekimi teorisi olan genel görelilik teorisini (GR) resmileştirmesinin üzerinden yüz yıldan fazla zaman geçti. Bununla birlikte, gökbilimciler, bu köklü teoriden sapmalar bulmayı umarak hala sıkı testlere tabi tutulmaktadır. Nedeni basit: GR’nin ötesindeki herhangi bir fizik göstergesi, evrende yeni pencereler açacak ve evrenle ilgili daha derin gizemlerin bazılarının çözülmesine yardımcı olacaktır.

Almanya, Bonn’daki Max Planck Radyo Astronomi Enstitüsü’nden (MPIFR) Michael Kramer liderliğindeki uluslararası bir gökbilimciler ekibi tarafından yakın zamanda şimdiye kadarki en zorlu testlerden biri gerçekleştirildi. Dünyanın dört bir yanından yedi radyo teleskopu kullanan Kramer ve meslektaşları, 16 yıl boyunca benzersiz bir pulsar çifti gözlemlediler. Bu süreçte, GR’lerin öngördüğü etkileri ilk kez gözlemlediler ve sağlık En az %99,99!

MPIfR’den araştırmacılara ek olarak, Kramer ve meslektaşlarına, Jodrell Bank Astrofizik Merkezi (İngiltere), ARC Yerçekimi Dalgası Algılama Merkezi (Avustralya) ve Okyanus dahil olmak üzere on farklı ülkedeki kurumlardan araştırmacılar katıldı. enstitü. Teorik Fizik (Kanada), Paris Gözlemevi (Fransa), Osservatorio Astronomico di Cagliari (İtalya), Güney Afrika Radyo Astronomi Gözlemevi (SARAO), Hollanda Radyo Astronomi Enstitüsü (ASTRON) ve Arecibo Gözlemevi için.

Pulsarlar, geniş kapsamlı dar radyo dalgaları yayan, hızla dönen nötron yıldızlarıdır. Kredi: NASA’nın Goddard Uzay Uçuş Merkezi

“Radyo pulsarları”, yüksek oranda manyetik olan, hızla dönen nötron yıldızlarının özel bir sınıfıdır. Bu ultra yoğun nesneler, kutuplarından (hızlı dönüşleriyle birleştiğinde) güçlü bir işaret benzeri etki yaratan güçlü radyo ışınları yayar. Gökbilimciler pulsarlardan etkilenirler çünkü ultra küçük nesneleri, manyetik alanları, yıldızlararası ortamı (ISM), gezegen fiziği ve hatta kozmolojiyi yöneten fizik hakkında zengin bilgiler sağlarlar.

Ek olarak, yoğun yerçekimi kuvvetleri, gökbilimcilerin GR ve GR gibi yerçekimi teorileri tarafından yapılan tahminleri test etmelerini sağlar. Değiştirilmiş Newton Dinamiği (MOND) akla gelebilecek en zorlu koşullardan bazıları altında. Kramer ve ekibi, çalışmaları için Dünya’dan 2400 ışıkyılı uzaklıkta bulunan bir “çift yıldız” sistemi olan PSR J0737-3039 A/B’yi incelediler. bebek takımyıldızı.

Bu sistem tek radyo pulsar ikili hiç ve 2003 yılında araştırma ekibinin üyeleri tarafından keşfedildi. Bu sistemi oluşturan iki pulsar, saniyede 44 kez (A), 2,8 saniyede bir (B) gibi hızlı dönüşlere sahiptir ve yalnızca 147 dakika boyunca birbirlerinin yörüngesinde dönerler. Güneş’ten yaklaşık %30 daha büyük olmasına rağmen, çapı yalnızca yaklaşık 24 km (15 mil) kadardır. Bu nedenle, yoğun yerçekimi ve yoğun manyetik alanları.

Bu özelliklere ek olarak, bu sistemin hızlı yörünge periyodu, onu yerçekimi teorilerini test etmek için mükemmele yakın bir laboratuvar haline getiriyor. Profesör Kramer’in MPIFR için yakın tarihli bir basın açıklamasında söylediği gibi:

“Sıkıştırılmış yıldızlardan oluşan bir sistem üzerinde çalıştık ve çok güçlü yerçekimi alanlarının varlığında yerçekimi teorilerini test etmek için rakipsiz bir laboratuvarız. Memnuniyetle, Einstein’ın teorisinin temel taşını, taşıdığı enerjiyi test edebildik. yerçekimi dalgalarıNobel ödüllü Hulse-Taylor pulsarından 25 kat daha iyi bir doğrulukla ve şu anda yerçekimi dalgası dedektörleriyle mümkün olandan 1000 kat daha iyi.”

Sanatçının, astronomların aşırı koşullar altında genel görelilik tarafından yapılan tahminleri test etmelerini sağlayan Yay A* yakınından geçen S2 yıldızının yörüngesine ilişkin izlenimi. Kredi bilgileri: ESO/M. Kornmeiser

16 yıllık gözlem kampanyası için Parkes Radyo Teleskobu (Avustralya), Green Bank Teleskobu (ABD), Nansai Radyo Teleskobu (Fransa), Eiffelberg 100m Teleskopu (Almanya), Lovell Radyo Teleskobu (Krallık Birleşik), dahil olmak üzere yedi radyo teleskopu kullanıldı. Westerbork Sentezi Radyo Teleskopu (Hollanda) ve Çok Uzun Çekirdek Dizisi (ABD).

Bu gözlemevleri, radyo spektrumunun 334 MHz ve 700 MHz ile 1300 – 1700 MHz, 1484 MHz ve 2520 MHz arasında değişen farklı kısımlarını kapsıyordu. Bunu yaparak, bu ikili pulsardan gelen fotonların onun güçlü çekiminden nasıl etkilendiğini görebildiler. Vancouver’daki British Columbia Üniversitesi’nden (UBC) Profesör Ingrid Stiers’in açıkladığı gibi, çalışmanın ortak yazarı:

“Bir kozmik işaretçi, bir pulsar tarafından yayılan radyo fotonlarının yayılımını izliyoruz ve hareketlerini eşlik eden bir pulsarın güçlü yerçekimi alanında izliyoruz. Işığın yalnızca uzayın güçlü eğriliği tarafından nasıl geciktirildiğini ilk kez görüyoruz. ama aynı zamanda ışığın 0,04 derecelik küçük bir açıyla saptırıldığını da keşfedebiliriz.Böyle bir deney daha önce hiç bu kadar yüksek bir uzay-zaman eğriliğinde yapılmamıştı.”

Avustralya’nın Commonwealth Bilimsel ve Endüstriyel Araştırma Örgütü’nden (CSIRO) ortak yazar Profesör Dick Manchester’ın da eklediği gibi, bunlar gibi kompakt nesnelerin hızlı yörünge hareketi, GR hakkında yedi farklı öngörüyü test etmelerine izin verdi. Bunlara yerçekimi dalgaları, ışık yayılımı (“Shapiro’nun ışığın gecikmesi ve bükülmesi), zaman genişlemesi ve kütle-enerji denklemi (E = mc) dahildir.²) ve elektromanyetik radyasyonun bir pulsarın yörünge hareketi üzerindeki etkisi nedir?

Batı Virginia’daki Robert C. Bird Green Bank Teleskobu (GBT). Kredi: GBO/AUI/NSF

“Bu radyasyon, saniyede 8 milyon tonluk toplu bir kayba eşdeğer!” dedi. “Bu kulağa çok gibi gelse de, bir pulsarın saniyede kütlesinin çok küçük bir kısmı – bin milyarda 3 kısım (!).” Araştırmacılar ayrıca, ilk olarak Merkür’ün yörüngesinde gözlemlenen göreli bir etki olan ve Einstein’ın GR teorisinin çözülmesine yardımcı olduğu gizemlerden biri olan, pulsarların yörüngesel yönelimindeki değişikliklerin çok hassas ölçümlerini yaptılar.

Sadece burada, etki 140.000 kat daha güçlüydü ve ekibin, pulsarın dönüşünün çevreleyen uzay-zaman üzerindeki etkisini de dikkate almaları gerektiğini fark etmelerine yol açtı. Lense-Thirring efekti veya “çerçeveyi sürükleyin”. Çalışmanın başka bir baş yazarı olan MPIFR’den Dr. Norbert Weeks de başka bir atılıma izin verdi:

“Bu, deneyimlerimize göre bir pulsarın iç yapısını bir nötron yıldızı. Bu nedenle, ölçümlerimiz ilk kez nötron yıldızı döngülerinin hassas takibini kullanmamıza, nötron yıldızının uzantısı üzerinde kısıtlamalar sağlamak için pulsar zamanlaması dediğimiz bir teknik kullanmamıza izin veriyor.”

Bu deneyden elde edilen bir diğer değerli sonuç, ekibin yüksek doğrulukta mesafe ölçümleri elde etmek için tamamlayıcı izleme tekniklerini nasıl birleştirdiğiydi. Benzer çalışmalar, geçmişte zayıf mesafe tahminleri nedeniyle sıklıkla engellenmiştir. Pulsar zamanlama teknolojisini hassas interferometri ölçümleri (ve ISM etkileri) ile birleştirerek, ekip %8 hata payıyla 2.400 ışıkyılı yüksek çözünürlüklü bir sonuç elde etti.

Sanatçının iki birleşen nötron yıldızını gösteren çizimi. Dar ışınlar bir gama ışını patlamasını temsil ederken, dalgalı uzay-zaman kafesi, birleşmeyi karakterize eden karşıt kütleçekim dalgalarını belirtir. Kredi: NSF/LIGO/Sonoma Eyalet Üniversitesi/A. Simonet

Sonunda, ekibin sonuçları yalnızca GR ile tutarlı olmakla kalmadı, aynı zamanda daha önce üzerinde çalışılması mümkün olmayan etkileri de görebildiler. Paulo Freire, başka bir çalışmanın ortak yazarı (ayrıca MPIFR’den) şunları ifade etti:

“Sonuçlarımız, yerçekimini başka koşullarda test eden veya yerçekimi dalgası dedektörleri veya Event Horizon Teleskobu gibi farklı etkileri gören diğer deneysel çalışmaları tamamlıyor. Ayrıca, üçlü yıldız sistemindeki bir pulsarla zamanlama deneyimiz gibi diğer pulsar deneylerini de tamamlıyorlar. serbest düşüşün evrenselliğine dair bağımsız (ve büyüleyici) bir test sağladı.”

Profesör Kramer, “Eşi görülmemiş bir doğruluk düzeyine ulaştık” dedi. Daha büyük teleskoplarla gelecekteki deneyler daha da ileri gidebilir ve devam edecektir. Çalışmamız, bu tür deneylerin nasıl yapılması gerektiğini ve şimdi hangi kesin etkilerin dikkate alınması gerektiğini göstermiştir. Belki bir gün genel görelilikten bir sapma buluruz.”

Araştırmalarını anlatan makale yakın zamanda dergide yayınlandı. X. fiziksel incelemeVe

Orijinal Olarak Gönderildi bugün evren.

Bu araştırma hakkında daha fazla bilgi edinmek için:

Referans: “Çift yıldız kullanılarak güçlü alan yerçekimi testleri”, M. Kramer ve diğerleri. 13 Aralık 2021, X. fiziksel inceleme.
DOI: 10.1103/ PhysRevX.11.041050