Genel Görelilik Teorisi Bir dizi Kesin Testten Geçti

Genel görelilik teorisi, bir çift aşırı yıldız tarafından belirlenen bir dizi kesin testten geçer.

Albert Einstein’ın yerçekimi teorisini sunmasından 100 yıldan fazla bir süre sonra, dünyanın dört bir yanındaki bilim adamları, genel görelilikteki kusurları bulmak için çabalarını sürdürüyorlar. Genel Görelilik’ten herhangi bir sapmanın gözlemlenmesi, Evren hakkındaki mevcut teorik anlayışımızın ötesinde yeni fizik üzerine bir pencere açacak büyük bir keşif teşkil edecektir.

Araştırma ekibinin lideri, Almanya, Bonn’daki Max Planck Radyo Astronomi Enstitüsü’nden (MPIfR) Michael Kramer şöyle diyor: “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 dalgaları, Nobel ödüllü Hulse-Taylor’dan 25 kat daha iyi bir hassasiyetle pulsarve yerçekimi dalgası dedektörleriyle şu anda mümkün olandan 1000 kat daha iyi.” Gözlemlerin sadece teoriyle uyumlu olmadığını, “daha ​​önce çalışılamayan etkileri de görebildiğimizi” açıklıyor.

Vancouver’daki British Columbia Üniversitesi’nden Ingrid Stairs bir örnek veriyor: “Bir kozmik deniz fenerinden, bir pulsardan yayılan radyo fotonlarının yayılımını takip ediyor ve bir eşlik eden pulsarın güçlü yerçekimi alanındaki hareketlerini 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.”

Pulsarların dansı. Çift pulsar sistemi PSR J0737-3039 A/B’nin animasyonu ve Dünya’dan görüş hattı. İki aktif radyo pulsarından oluşan sistem, Dünya’dan görüldüğü gibi “kenardan”, yani yörünge düzleminin görüş hattımıza göre eğimi sadece yaklaşık 0,6 derecedir.

“Çift Pulsar” olarak bilinen bu kozmik laboratuvar, ekip üyeleri tarafından 2003 yılında keşfedildi. Sadece 147 dakikada, yaklaşık 1 milyon km/saat hızla birbirinin yörüngesinde dönen iki radyo pulsarından oluşuyor. Bir pulsar çok hızlı dönüyor, saniyede yaklaşık 44 kez. Refakatçi genç ve 2,8 saniyelik bir dönüş periyoduna sahip. Mükemmele yakın bir yerçekimi laboratuvarı olarak kullanılabilecek olan, birbirlerinin etrafındaki hareketleridir.

Avustralya’nın ulusal bilim ajansı CSIRO’dan Dick Manchester şöyle açıklıyor: “Bunun gibi kompakt nesnelerin bu kadar hızlı yörüngesel hareketi -Güneş’ten yaklaşık %30 daha büyükler ama sadece yaklaşık 24 km çapındalar- genel göreliliğin birçok farklı tahminini test etmemize izin veriyor. – toplam yedi! Yerçekimi dalgalarının yanı sıra, hassasiyetimiz, “Shapiro gecikmesi” ve ışık bükme gibi ışık yayılımının etkilerini araştırmamıza izin verir. Ayrıca, yerçekimi alanlarında saatlerin daha yavaş çalışmasına neden olan “zaman genişlemesinin” etkisini de ölçüyoruz.

Einstein’ın ünlü E = mc denklemini bile almamız gerekiyor² Hızlı dönen pulsarın yaydığı elektromanyetik radyasyonun yörünge hareketi üzerindeki etkisi göz önüne alındığında. Bu radyasyon saniyede 8 milyon tonluk bir kütle kaybına tekabül ediyor! Bu çok gibi görünse de, pulsarın saniyedeki kütlesinin sadece küçük bir kısmı – bin milyar milyarda 3 parça (!).”

Shapiro zaman gecikmesi. Çift pulsardaki Shapiro zaman gecikmesinin ölçümünün animasyonu. Hızla dönen bir pulsar ortak kütle merkezi etrafında yörüngede döndüğünde, yayılan fotonlar kapana kısılmış pulsarın kavisli uzay-zamanı boyunca yayılır ve bu nedenle gecikir.

Araştırmacılar ayrıca – milyonda 1 parçalık bir hassasiyetle (!) yörüngenin yönünü değiştirdiğini de ölçtüler; bu, Merkür’ün yörüngesinden de iyi bilinen, ancak burada 140.000 kat daha güçlü olan göreli bir etkidir. Bu hassasiyet seviyesinde, pulsarın dönüşünün, dönen pulsarla birlikte “sürüklenen” çevreleyen uzay-zaman üzerindeki etkisini de dikkate almaları gerektiğini fark ettiler. Çalışmanın bir başka ana yazarı olan MPIfR’den Norbert Wex şöyle açıklıyor: “Fizikçiler buna Lense-Thirring etkisi veya çerçeve sürükleme diyor. 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 uzamasına kısıtlamalar sağlamak için pulsar zamanlaması dediğimiz bir teknik.”

Pulsar zamanlama tekniği, yüksek çözünürlüklü görüntüleme ile mesafesini belirlemek için sistemin dikkatli interferometrik ölçümleriyle birleştirildi ve yalnızca %8 hata payıyla 2400 ışıkyılı değerinde bir değer elde edildi. Avustralya’daki Swinburne Üniversitesi’nden ve deneyin bu bölümünden sorumlu olan ekip üyesi Adam fDeller şunları vurgulamaktadır: “Denemenin aşırı değerine katkıda bulunan, farklı tamamlayıcı gözlem tekniklerinin birleşimidir. Geçmişte benzer çalışmalar, bu tür sistemlerin uzaklığına ilişkin sınırlı bilgi nedeniyle sıklıkla engellendi.” Pulsar zamanlaması ve interferometriye ek olarak, yıldızlararası ortamdan kaynaklanan etkilerden elde edilen bilgilerin de dikkatle dikkate alındığı burada durum böyle değildir. California San Diego Üniversitesi’nden Bill Coles aynı fikirde: “Sistemle ilgili tüm olası bilgileri topladık ve nükleer fizik, yerçekimi, yıldızlararası ortam, plazma fizik ve daha fazlası. Bu oldukça sıra dışı.”

“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 evrenselliğinin bağımsız (ve mükemmel) bir testini sağlayan bir yıldız üçlü sistemindeki pulsar ile yaptığımız zamanlama deneyi gibi diğer pulsar deneylerini de tamamlıyorlar”, diyor yine MPIFR’den Paulo Freire.

Michael Kramer şu sonuca varıyor: “Benzeri görülmemiş bir hassasiyet düzeyine ulaştık. Daha da büyük teleskoplarla gelecekteki deneyler daha da ileri gidebilir ve devam edecektir. 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…”

Bu araştırma hakkında daha fazla bilgi için bkz. Einstein’ın 16 Yıllık Deneyinde En Büyük Teorisine Meydan Okumak – Aşırı Yıldızlarla Test Edilen Genel Görelilik Teorisi.

Referans: “Çift Pulsar ile Güçlü Alan Yerçekimi Testleri”, M. Kramer ve diğerleri, 13 Aralık 2021, Fiziksel İnceleme X.
DOI: 10.1103/PhysRevX.11.041050