Artystyczne wyobrażenie podwójnego układu pulsarów, w którym dwa aktywne pulsary okrążają się w zaledwie 147 minut. (Zdjęcie: © Michael Kramer/MPIfR)
Ogólna względność zdała swój być może najtrudniejszy test do tej pory.
Teoria, którą Albert Einstein opublikował w 1916 roku, zrewolucjonizowała nasze postrzeganie fizyki i kosmosu. Wyjaśnia ona grawitację jako wynik elastyczności czasoprzestrzeni: olbrzymie obiekty zakrzywiają czasoprzestrzeń, tworząc zagłębienia, wokół których orbitują inne ciała.
Badacze wielokrotnie poddawali próbom ogólną teorię względności (OTW) w ciągu ostatnich 105 lat, próbując znaleźć sytuacje czy okoliczności, w których zawiodłaby. Nie znaleziono jeszcze ani jednej.
W nowym badaniu, naukowcy opisują wyniki jednego z najambitniejszych i najbardziej zawiłych wyzwań dla teorii względności, jakie kiedykolwiek powstało. Przeanalizowali obserwacje układu gwiezdnego dwóch pulsarów poczynione przez siedem teleskopów radiowych z różnych części świata między 2003 a 2019 rokiem.
Pulsar to rodzaj gwiazdy neutronowej, czyli supergęstego gwiezdnego trupa, który emituje potężne strumienie promieniowania i cząstek ze swoich biegunów magnetycznych. Strumienie te są stałe, lecz wydają się pulsować (stąd nazwa), ponieważ pulsary wirują; to promieniowanie jest widoczne jedynie wtedy, gdy biegun skierowany jest w stronę Ziemi.
Para pulsarów, którą badał zespół, oddalona jest o około 2400 lat świetlnych od Ziemi. Jeden z pulsarów obraca się wokół własnej osi 44 razy na sekundę, podczas gdy drugi wykonuje jeden obrót co 2,8 sekundy. Oba obiekty okrążają wspólne centrum masy raz na 147 minut, każdy z nich przemierzający przestrzeń kosmiczną z prędkością około 1 miliona km/h, jak stwierdził członek zespołu.
„Tak szybki ruch orbitalny tak niewielkich obiektów jak te – są około 30% masywniejsze od Słońca, lecz mają średnicę zaledwie 24 kilometrów – pozwala nam testować różne prognozy teorii względności – łącznie jest ich aż siedem!”, podał w oświadczeniu współautor badania Dick Manchester, z Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation (CSIRO) – narodowej agencji naukowej Australii.
A jakość nie ustępowała ilości: badanie osiągnęło poziomy dokładności, których jeszcze nie spotkano w teście OTW, stwierdził członek zespołu.
„Oprócz fal grawitacyjnych i rozprzestrzeniania się światła, nasza precyzja pozwala nam na mierzenie efektu ‘rozszerzania czasu’, które sprawia, że zegarki chodzą wolniej w polach grawitacyjnych”, powiedział Manchester. „Musimy nawet wziąć sławne równanie E = mc^2 Einsteina pod uwagę rozważając efekt promieniowania elektromagnetycznego emitowanego przez szybko obracającego się pulsara w ruchu orbitalnym”.
Badanie pokazało, że wszystkie siedem prognoz testu zostało potwierdzonych. Tak więc OTW pozostaje niepokonana – co nie oznacza, że badacze powinni przestać szukać w niej wad.
„Teoria względności nie jest kompatybilna z innymi oddziaływaniami podstawowymi opisanymi przez mechanikę kwantową. Należy zatem dalej poddawać tę teorię jak najbardziej wymagającym testom, aby odkryć gdzie i w jaki sposób zawiedzie”, podał w tym samym oświadczeniu współautor badania Robert Ferdman, fizyk na Uniwersytecie Anglii Wschodniej w Anglii.
„Znalezienie jakiegokolwiek odchyłu od teorii względności stanowiłoby ogromne odkrycie, które otworzyłoby okno na nową fizykę wykraczającą poza nasze obecne teoretyczne zrozumienie Wszechświata”, dodał Ferdman. „I może pomóc nam ostatecznie odkryć zjednoczoną teorię podstawowych sił natury”.
Badanie zostało opublikowane 13 grudnia w czasopiśmie „Physical Review X”.
