Αστροφυσικοί, επαλήθευσαν ακόμα μία πρόβλεψη της θεωρίας της σχετικότητας του Αϊνστάϊν!

Μια διεθνής ομάδα επιστημόνων κατέληξε στην πιο ακριβή μέχρι σήμερα επιβεβαίωση ενός από τους ακρογωνιαίους λίθους της γενικής θεωρίας της σχετικότητας του Αϊνστάιν, «την καθολικότητα της ελεύθερης πτώσης».

Η νέα έρευνα δείχνει ότι η θεωρία ισχύει και για τα ισχυρά αυτο-βαρυτικά αντικείμενα όπως τα αστέρια νετρονίων (αυτο-βαρυτικό σώμα είναι αυτό που συγκρατείται από τη βαρυτική έλξη των συστατικών του μερών). Χρησιμοποιώντας ένα ραδιοτηλεσκόπιο, οι επιστήμονες μπορούν να παρατηρήσουν με ακρίβεια το σήμα που παράγεται από ένα pulsar, έναν τύπο αστέρα νετρονίων και να ελέγξουν την εγκυρότητα της θεωρίας του Αϊνστάιν για αυτά τα ακραία αντικείμενα. Συγκεκριμένα, η ομάδα ανέλυσε τα σήματα από το pulsar με το όνομα "PSR J0337 + 1715" που καταγράφηκαν από το μεγάλο ραδιο-τηλεσκόπιο της Nançay, στην Γαλλία.

Η αρχή της καθολικότητας της ελεύθερης πτώσης δηλώνει ότι δύο σώματα που πέφτουν σε ένα βαρυτικό πεδίο υφίστανται την ίδια επιτάχυνση ανεξάρτητα από τη σύνθεσή τους. Αυτό αποδείχθηκε για πρώτη φορά από τον Γαλιλαίο ο οποίος έριχνε αντικείμενα διαφορετικών μαζών από την κορυφή του πύργου της Πίζας για να επιβεβαιώσει ότι και τα δύο φτάνουν στο έδαφος ταυτόχρονα.

Αυτή η αρχή βρίσκεται επίσης στο επίκεντρο της γενικής θεωρίας της σχετικότητας του Αϊνστάιν. Ωστόσο, κάποιες ενδείξεις όπως η ασυνέπεια μεταξύ της κβαντικής μηχανικής και της γενικής σχετικότητας ή το αίνιγμα της σκοτεινής ύλης και της σκοτεινής ενέργειας στη σύνθεση του Σύμπαντος, οδήγησαν πολλούς φυσικούς να πιστεύουν ότι η γενική σχετικότητα μπορεί, τελικά, να μην είναι η απόλυτη θεωρία της βαρύτητας.

Οι παρατηρήσεις του Pulsar J0337 + 1715, ενός άστρου νετρονίων με αστρικό πυρήνα 1,44 φορές τη μάζα του Ήλιου που έχει καταρρεύσει σε μια σφαίρα διαμέτρου μόνο 25 χιλιομέτρων, δείχνει ότι περιστρέφεται μαζί με δύο άλλα αστέρια, λευκούς νάνους, που έχουν πολύ πιο αδύναμο πεδίο βαρύτητας. Τα ευρήματα, που δημοσιεύθηκαν στο περιοδικό Astronomy and Astrophysics στις 11 Ιουνίου 2020, αποδεικνύουν ότι η αρχή της καθολικότητας της ελεύθερης πτώσης είναι σωστή.

«Πάνω απ 'όλα, είναι η μοναδική διαμόρφωση αυτού του συστήματος, που μοιάζει με το σύστημα Γης – Σελήνης - Ήλιου με την παρουσία ενός pulsar (που παίζει τον ρόλο του Ήλιου) προς τον οποίο ‘πέφτουν’ τα δύο άλλα αστέρια τα οποία βρίσκονται σε τροχιά γύρω του, η οποία επιτρέπει την πραγματοποίηση μιας αστρικής έκδοσης του διάσημου πειράματος του Γαλιλαίου. Δύο σώματα διαφορετικών συνθέσεων πέφτουν με την ίδια επιτάχυνση στο βαρυτικό πεδίο ενός τρίτου».

«Το pulsar εκπέμπει μια δέσμη ραδιοκυμάτων που σαρώνει το διάστημα. Σε κάθε περιστροφή του δημιουργείται ένα φλας ραδιοκυμάτων που καταγράφεται με υψηλή ακρίβεια από το ραδιο-τηλεσκόπιο της Nançay. Καθώς το pulsar κινείται στην τροχιά του, ο χρόνος άφιξης του σήματος στη Γη αλλάζει. Η ακριβής μέτρηση και μαθηματική μοντελοποίηση, με ακρίβεια νανοδευτερόλεπτων, αυτών των χρόνων άφιξης επιτρέπει στους επιστήμονες να συμπεράνουν με εξαιρετική ακρίβεια την κίνηση του άστρου», λέει ο Δρ Guillaume Voisin.

Οι μετρήσεις καταγράφηκαν από μια συνεργαζόμενη ομάδα από το Πανεπιστήμιο του Μάντσεστερ, το Παρατηρητήριο του Παρισιού - PSL, το γαλλικό CNRS, το LPC2E (Orléans, Γαλλία), και το Ινστιτούτο Max Planck για τη Ραδιοαστρονομία. Γύρω από το pulsar περιστρέφονται δύο λευκοί νάνοι. Ο ένας περιστρέφεται σε μόλις 1,6 ημέρες, σε απόσταση περίπου 10 φορές πιο κοντά στο pulsar από ότι ο πλανήτης Ερμής στον Ήλιο. Γύρω από αυτό το δυαδικό σύστημα, που μοιάζει σαν το ζευγάρι Γης - Σελήνης στο ηλιακό σύστημα, περιστρέφεται ο δεύτερος λευκός νάνος με το 40% της μάζας του Ήλιου, σε απόσταση λίγο μεγαλύτερη από την απόσταση του συστήματος Γης-Σελήνης από τον Ήλιο.

Στο ηλιακό σύστημα, το πείραμα Lunar-laser rangeing επαλήθευσε ότι τόσο η Σελήνη όσο και η Γη επηρεάζονται ταυτόχρονα από το πεδίο βαρύτητας του Ήλιου, όπως προβλέπει η καθολικότητα της ελεύθερης πτώσης (η τροχιακή κίνηση είναι μια μορφή ελεύθερης πτώσης). Ωστόσο, είναι γνωστό ότι ορισμένες αποκλίσεις στην καθολικότητα μπορεί να προκύψουν μόνο για έντονα αυτο-βαρυτικά αντικείμενα, όπως τα αστέρια νετρονίων, δηλαδή αντικείμενα των οποίων η μάζα οφείλεται σημαντικά στην δική τους βαρυτική ενέργεια χάρη στη διάσημη σχέση E = mc². Οι νέες παρατηρήσεις από την ομάδα καλύπτουν το κενό των παρατηρήσεων στο ηλιακό μας σύστημα, όπου κανένα αντικείμενο δεν είναι έντονα αυτο-βαρυτικό, ούτε καν ο Ήλιος.

Η ομάδα έδειξε ότι το ακραίο πεδίο βαρύτητας του pulsar δεν προκαλεί διαφορές περισσότερο από 1,8 μέρη ανά εκατομμύριο (με επίπεδο εμπιστοσύνης 95%) από την πρόβλεψη της γενικής θεωρίας της σχετικότητας. Αυτό το αποτέλεσμα είναι η πιο ακριβής επιβεβαίωση ότι η καθολικότητα της ελεύθερης πτώσης είναι έγκυρη ακόμη και με την παρουσία ενός αντικειμένου του οποίου η μάζα οφείλεται σε μεγάλο βαθμό στο δικό του πεδίο βαρύτητας, υποστηρίζοντας έτσι περαιτέρω τη θεωρία του Αϊνστάιν.

ΠΗΓΗ: phys.org

ΦΩΤΟΓΡΑΦΙΑ: Καλλιτεχνική απόδοση του pulsar με τον πλησιέστερο συνοδό του στις τροχιές τους. Στο φόντο ο δεύτερος συνοδός, σε μεγαλύτερη απόσταση. Credit: Guillaume Voisin (CC BY-SA4.0).

ΔΙΑΒΑΣΤΕ ΕΠΙΣΗΣ: "Ιστορία επιβίωσης", γύρω από μία μαύρη τρύπα!