Araştırmacılar, Einstein’ın genel görelilik teorisine meydan okumak için 16 yıllık bir deney yaptılar. Uluslararası ekip, dünyanın dört bir yanındaki yedi radyo teleskopu aracılığıyla yıldızlara – kesin olarak pulsar adı verilen bir çift aşırı yıldız – baktı. Kredi: Max Planck Radyo Astronomi Enstitüsü
Einstein’ın, Evren anlayışımızda devrim yaratan geometrik yerçekimi teorisi olan Genel Görelilik (GR) teorisini resmileştirmesinden bu yana yüz yıldan fazla zaman geçti. Yine de, gökbilimciler, bu yerleşik teoriden sapmalar bulmayı umarak, onu hala zorlu testlere tabi tutuyorlar. Nedeni basit: GR’nin ötesindeki herhangi bir fizik belirtisi, Evrene yeni pencereler açacak ve kozmos hakkındaki en derin gizemlerden 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 tarafından tahmin edilen etkileri ilk kez gözlemlediler ve kesinlik en az %99,99!
MPIfR’den araştırmacılara ek olarak, Kramer ve ortaklarına, Jodrell Bank Astrofizik Merkezi (Birleşik Krallık), ARC Yerçekimi Dalgası Keşfi Merkezi (Avustralya), Çevre Enstitüsü dahil olmak üzere on farklı ülkedeki kurumlardan araştırmacılar katıldı. Teorik Fizik (Kanada), Observatoire de Paris (Fransa), Osservatorio Astronomico di Cagliari (İtalya), Güney Afrika Radyo Astronomi Gözlemevi (SARAO), Hollanda Radyo Astronomi Enstitüsü (ASTRON) ve Arecibo Gözlemevi.
Pulsarlar, dar, geniş kapsamlı radyo dalgaları yayan hızlı dönen nötron yıldızlarıdır. Kredi: NASA’nın Goddard Uzay Uçuş Merkezi
“Radyo pulsarları”, hızla dönen, yüksek oranda manyetize edilmiş nötron yıldızlarının özel bir sınıfıdır. Bu süper yoğun nesneler, kutuplarından (hızlı dönüşleriyle birleştiğinde) bir deniz fenerini andıran bir strobing etkisi yaratan güçlü radyo ışınları yayar. Gökbilimciler, ultra kompakt nesneleri yöneten fizik, manyetik alanlar, yıldızlararası ortam (ISM), gezegen fiziği ve hatta kozmoloji hakkında zengin bilgiler sağladıkları için pulsarlardan etkilenirler.
Ek olarak, ilgili aşırı yerçekimi kuvvetleri, gökbilimcilerin GR ve GR gibi yerçekimi teorileri tarafından yapılan tahminleri test etmelerini sağlar. Değiştirilmiş Newton Dinamiği (MOND) akla gelebilecek en aşırı koşullardan bazıları altında. Kramer ve ekibi, çalışmaları için Dünya’dan 2400 ışıkyılı uzaklıkta bulunan “Çift Pulsar” sistemi PSR J0737-3039 A/B’yi inceledi. takımyıldızı kukla.
Bu sistem tek radyo pulsar ikili şimdiye kadar gözlemlendi ve 2003 yılında araştırma ekibinin üyeleri tarafından keşfedildi. Bu sistemi oluşturan iki pulsar, saniyede 44 kez (A), her 2,8 saniyede bir (B) hızlı dönüşlere sahiptir ve yalnızca 147 dakikalık bir periyotla birbirlerinin yörüngesinde dönerler. Güneş’ten yaklaşık %30 daha büyük olmalarına rağmen, çapları yalnızca yaklaşık 24 km (15 mi) kadardır. Bu nedenle, aşırı yerçekimi ve yoğun manyetik alanlar.
Bu özelliklere ek olarak, bu sistemin hızlı yörünge periyodu, onu yerçekimi teorilerini test etmek için mükemmele yakın bir laboratuvar haline getiriyor. Prof. Kramer’in yakın tarihli bir MPIFR basın bülteninde söylediği gibi:
“Çok güçlü yerçekimi alanlarının varlığında yerçekimi teorilerini test etmek için rakipsiz bir laboratuvar olan bir kompakt yıldız sistemi üzerinde çalıştık. Einstein’ın teorisinin temel taşlarından birini test edebildik. yerçekimi dalgalarıNobel ödüllü Hulse-Taylor pulsarından 25 kat daha iyi ve yerçekimi dalgası dedektörleriyle şu anda mümkün olandan 1000 kat daha iyi bir hassasiyetle.”
Yay A*’nın çok yakınından geçen S2 yıldızının izlediği yola ilişkin sanatçının izlenimi, gökbilimcilerin Genel Relativite tarafından yapılan tahminleri aşırı koşullar altında test etmelerini de sağlıyor. Kredi: ESO/M. Kornmesser
16 yıllık gözlem kampanyası için, Parkes radyo teleskopu (Avustralya), Green Bank Teleskobu (ABD), Nançay Radyo Teleskobu (Fransa), Effelsberg 100-m teleskopu (Almanya), Lovell dahil olmak üzere yedi radyo teleskopu kullanıldı. Radyo Teleskop (İngiltere), Westerbork Sentezi Radyo Teleskopu (Hollanda) ve Çok Uzun Temel Dizi (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 yaparken, bu ikili pulsardan gelen fotonların onun güçlü yerçekimi çekiminden nasıl etkilendiğini görebildiler. Vancouver’daki British Columbia Üniversitesi’nden (UBC) çalışmanın ortak yazarı Prof. Ingrid Stairs’in açıkladığı gibi:
“Kozmik bir deniz fenerinden, bir pulsardan yayılan radyo fotonlarının yayılımını takip ediyoruz ve hareketlerini eşlik eden bir pulsarın güçlü yerçekimi alanında takip ediyoruz. İlk kez, yoldaşın etrafındaki uzay-zamanın güçlü bir eğriliği nedeniyle ışığın nasıl geciktirildiğini değil, aynı zamanda ışığın algılayabildiğimiz 0,04 derecelik küçük bir açıyla saptığını da görüyoruz. Daha önce hiç bu kadar yüksek bir uzay-zaman eğriliğinde böyle bir deney yapılmamıştı.”
Avustralya’nın Commonwealth Bilimsel ve Endüstriyel Araştırma Örgütü’nden (CSIRO) ortak yazar Prof. Dick Manchester’ın da eklediği gibi, bunun gibi kompakt nesnelerin hızlı yörünge hareketi, GR’nin yedi farklı tahminini test etmelerine izin verdi. Bunlara yerçekimi dalgaları, ışık yayılımı (“Shapiro gecikmesi ve ışık bükülmesi), zaman genişlemesi, kütle-enerji denkliği (E=mc) dahildir.2) ve elektromanyetik radyasyonun pulsarın yörünge hareketi üzerindeki etkisi.
Batı Virginia’daki Robert C. Byrd Green Bank Teleskobu (GBT). Kredi: GBO/AUI/NSF
“Bu radyasyon saniyede 8 milyon tonluk bir kütle kaybına tekabül ediyor!” dedi. “Bu çok gibi görünse de, pulsarın saniyedeki kütlesinin yalnızca küçük bir kısmı – bin milyar milyarda 3 parça (!).” Araştırmacılar ayrıca, ilk olarak Merkür’ün yörüngesinde gözlemlenen göreceli bir etki olan ve Einstein’ın GR teorisinin çözülmesine yardımcı olan gizemlerden biri olan, pulsarların yörünge yönelimindeki değişikliklerin son derece hassas ölçümlerini yaptılar.
Sadece burada, etki 140.000 kat daha güçlüydü, bu da ekibin pulsarın dönüşünün çevredeki uzay-zaman üzerindeki etkisini de dikkate almaları gerektiğini anlamalarına yol açtı. Lense-Thirring efekti veya “çerçeve sürükleme”. Çalışmanın bir başka ana yazarı olan MPIfR’den Dr. Norbert Wex olarak, bu başka bir atılıma izin verdi:
“Deneyimizde bu, bir pulsarın iç yapısını bir nötron yıldızı. Bu nedenle, ölçümlerimiz ilk kez nötron yıldızının dönüşlerinin hassas takibini kullanmamıza izin veriyor; bu teknik, bir nötron yıldızının uzaması üzerinde kısıtlamalar sağlamak için pulsar zamanlaması olarak adlandırdığımız bir teknik.”
Bu deneyden bir başka değerli çıkarım, ekibin yüksek doğrulukta mesafe ölçümleri elde etmek için tamamlayıcı gözlem tekniklerini nasıl birleştirdiğiydi. Benzer çalışmalar, geçmişte zayıf kısıtlı mesafe tahminleri tarafından sıklıkla engellenmiştir. Pulsar zamanlama tekniğini dikkatli interferometrik ölçümler (ve ISM’nin 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, gama ışını patlamasını temsil ederken, dalgalanan uzay-zaman ızgarası, birleşmeyi karakterize eden izotropik yerçekimi dalgalarını gösterir. Kredi: NSF/LIGO/Sonoma Eyalet Üniversitesi/A. Simonnet
Sonunda, ekibin sonuçları sadece GR ile uyumlu olmakla kalmadı, aynı zamanda daha önce çalışılamayan etkileri de görebildiler. Çalışmanın başka bir ortak yazarı olan Paulo Freire’nin (ve ayrıca MPIFR’den) belirttiği gibi:
“Sonuçlarımız, yerçekimini başka koşullarda test eden veya yerçekimi dalgası dedektörleri veya Event Horizon Teleskobu gibi farklı etkiler gören diğer deneysel çalışmaları güzel bir şekilde tamamlıyor. Aynı zamanda, serbest düşüşün evrenselliğine dair bağımsız (ve mükemmel) bir test sağlayan yıldız üçlü sistemindeki pulsarla yaptığımız zamanlama deneyi gibi diğer pulsar deneylerini de tamamlıyorlar.”
Prof. Kramer, “Benzeri görülmemiş bir hassasiyet düzeyine ulaştık” dedi. “Daha da büyük teleskoplarla gelecekteki deneyler daha da ileri gidebilir ve gidecektir. Çalışmamız, bu tür deneylerin nasıl yapılması gerektiğini ve şimdi hangi ince etkilerin hesaba katılması gerektiğini göstermiştir. Ve belki bir gün genel görelilikten bir sapma buluruz.”
Araştırmalarını anlatan makale yakın zamanda dergide yayınlandı. Fiziksel İnceleme X,
Orijinal olarak yayınlandı Bugün Evren.
Bu araştırma hakkında daha fazlası için:
Referans: “Çift Pulsar ile Güçlü Alan Yerçekimi Testleri”, M. Kramer ve diğerleri, 13 Aralık 2021, Fiziksel İnceleme X.
DOI: 10.1103/PhysRevX.11.041050