Два пулсара, заключени в близка двоична орбита, отново потвърдиха прогнозите, направени от общата теория на относителността на Айнщайн.
В продължение на 16 години международен екип от астрономи наблюдава двойката пулсари, наречена PSR J0737−3039A/B, откривайки, че релативистичните ефекти могат да бъдат измерени във времето на техните импулси – точно както се предвижда и очаква. Това е първият път, когато се наблюдават тези ефекти.
„Изучавахме система от компактни звезди, която е ненадмината лаборатория за тестване на теориите на гравитацията в присъствието на много силни гравитационни полета“, казва астрономът и астрофизик Майкъл Крамер от Института за радиоастрономия Макс Планк в Германия, който ръководи изследването.
„За наша радост успяхме да изпробваме крайъгълния камък на теорията на Айнщайн, енергията, пренасяна от гравитационните вълни, с прецизност, която е 25 пъти по-добра, отколкото с носителя на Нобелова награда пулсар на Хълс-Тейлър, и 1000 пъти по-добра, отколкото е възможно в момента с детектори за гравитационни вълни.“
Пулсарите са може би най-полезните звезди на небето. Те са вид неутронна звезда, което означава, че са много малки и плътни; до 20 километра в диаметър и до около 2,4 пъти масата на Слънцето.
Това, което ги прави пулсари, е фактът, че те пулсират. Те имат лъчи на радиация с дължини на радиовълните, изстрелващи от техните полюси, и са ориентирани по такъв начин, че тези лъчи мигат като лъч на фар, докато звездата се върти, със скорост до милисекунди.
Тези светкавици са невероятно точно определени във времето, което означава, че за нас пулсарите са може би най-полезните звезди във Вселената. Вариациите във времето могат да се използват за навигация, за изследване на междузвездната среда и за изучаване на гравитацията.
PSR J0737−3039A/B, открит през 2003 г., разположен на около 2400 светлинни години и единственият двоен пулсар, идентифициран до момента, представи нова възможност за изследване: още един тест на относителността, в това, което изследователите нарекоха „ненадмината лаборатория“ за тестване на теориите на гравитацията.
Двата пулсара са много близо един до друг, завършвайки орбита на всеки 147 минути. Единият се върти доста бързо с 44 пъти в секунда. Другият е по-млад и по-бавен, като се върти веднъж на всеки 2,8 секунди. Но тъй като тези обекти са толкова плътни, техните гравитационни полета са много силни, което означава, че могат да повлияят на времето и ъгъла на импулсите един на друг.
Използвайки седем мощни телескопа по целия свят, в продължение на 16 години, изследователите търсеха това.
„Проследяваме разпространението на радиофотони, излъчвани от космически фар, пулсар, и проследяваме тяхното движение в силното гравитационно поле на придружаващ пулсар“, казва астрофизикът Ингрид Стейърс от Университета на Британска Колумбия в Канада.
„Виждаме за първи път как светлината не само се забавя поради силна кривина на пространство-времето около спътника, но също така, че светлината се отклонява под малък ъгъл от 0,04 градуса, който можем да открием. Никога досега не е имало подобен експеримент, проведен при такава висока пространствено-времева кривина.“
Общо изследователите проведоха седем теста на общата теория на относителността, включително начина, по който се променя ориентацията на орбитата на двоичната система, известна като апсидална прецесия, и начина, по който пулсарите плъзгат пространство-времето със себе си, докато се въртят, наречено плъзгане на рамката или Ефект на дразнене на лещите. Това позволи прецизно проследяване на времето на пулсара.
„Освен гравитационните вълни и разпространението на светлината, нашата прецизност ни позволява също да измерваме ефекта на „разширяването на времето“, което кара часовниците да работят по-бавно в гравитационните полета“, обяснява астрофизикът Дик Манчестър от CSIRO в Австралия.
„Трябва дори да вземем под внимание известното уравнение на Айнщайн E = mc2, когато разглеждаме ефекта на електромагнитното излъчване, излъчвано от бързо въртящия се пулсар върху орбиталното движение. Това излъчване съответства на загуба на маса от 8 милиона тона в секунда! Докато това изглежда много, това е само малка част – три части от хиляда милиарда милиарда – от масата на пулсара в секунда.“
Резултатите се присъединяват към нарастващ набор от високо прецизни измервания на релативистични ефекти, които досега всички са съгласни с прогнозите на Айнщайн. Пространство-времето около свръхмасивна черна дупка M87*, начинът, по който звездите обикалят около централната супермасивна черна дупка на Млечния път, времето на атомните часовници, тройната звездна система и 14-годишни наблюдения на колеблив пулсар – всичко е последователно с общата теория на относителността.
През следващите няколко години, когато се появят по-мощни телескопи, вероятно ще видим още по-прецизни тестове на гравитацията съгласно общата теория на относителността, тъй като учените продължават да търсят дупки.
„Общата теория на относителността не е съвместима с другите фундаментални сили, описани от квантовата механика. Ето защо е важно да продължим да прилагаме възможно най-строгите тестове върху общата теория на относителността, за да открием как и кога теорията се разпада“, обяснява астрофизикът Робърт Фърдман от Университета на Източна Англия във Великобритания.
„Намирането на каквото и да е отклонение от общата теория на относителността би представлявало голямо откритие, което би отворило прозорец към нова физика отвъд нашето текущо теоретично разбиране за Вселената. И може да ни помогне в крайна сметка да открием единна теория за фундаменталните сили на природата.“
