Το Stellar Trio θα μπορούσε να δοκιμάσει τη θεωρία της βαρύτητας του Αϊνστάιν
Σε ένα κοσμικό πραξικόπημα, οι αστρονόμοι βρήκαν έναν ουράνιο φάρο γνωστό ως πάλσαρ σε τροχιά με όχι ένα, αλλά δύο άλλα αστέρια. Το πρώτο στο είδος του τρίο θα μπορούσε σύντομα να χρησιμοποιηθεί για να θέσει τη θεωρία της βαρύτητας ή τη γενική σχετικότητα του Αϊνστάιν σε μια άνευ προηγουμένου δοκιμασία. «Είναι ένα υπέροχο εργαστήριο που μας χάρισε η φύση», λέει ο Paulo Freire, ραδιοαστρονόμος στο Ινστιτούτο Max Planck για τη Ραδιοαστρονομία στη Βόννη της Γερμανίας, ο οποίος δεν συμμετείχε στο έργο. "Είναι σχεδόν κατασκευασμένο κατά παραγγελία."
Ένα πάλσαρ αποτελείται από ένα αστέρι νετρονίων, τον πυρήνα που έχει απομείνει από ένα τεράστιο αστέρι που έχει ανατιναχθεί σε μια έκρηξη σουπερνόβα. Η ίδια η βαρύτητα του πυρήνα τον συμπιέζει τόσο έντονα που οι ατομικοί πυρήνες συγχωνεύονται σε μια ενιαία σφαίρα νετρονίων. Το περιστρεφόμενο αστέρι νετρονίων εκπέμπει επίσης μια δέσμη ραδιοκυμάτων που σαρώνει τον ουρανό ακριβώς όπως η δέσμη φωτός από έναν φάρο σαρώνει τη θάλασσα. Στην πραγματικότητα, τα πάλσαρ αναβοσβήνουν τόσο τακτικά που κατασκευάζουν φυσικά ρολόγια των οποίων το τικ μπορεί να είναι τόσο σταθερό όσο αυτό ενός ατομικού ρολογιού.
Η απίστευτη κανονικότητα καθιστά δυνατό τον προσδιορισμό του εάν το πάλσαρ βρίσκεται σε τροχιά με άλλο αντικείμενο, όπως είναι γνωστό ότι είναι περίπου το 80% από τα περισσότερα από 300 ταχέως περιστρεφόμενα πάλσαρ "χιλιοστά του δευτερολέπτου". Καθώς το πάλσαρ και ο σύντροφός του περιφέρονται μεταξύ τους, η απόσταση μεταξύ του πάλσαρ και της Γης ποικίλλει ελαφρώς, έτσι ώστε να χρειάζεται περισσότερο ή λιγότερο χρόνο για να φτάσουν οι παλμοί των ραδιοκυμάτων στη Γη. Ως αποτέλεσμα, η συχνότητα των παλμών επιταχύνεται και επιβραδύνεται σε έναν ενδεικτικό κύκλο.
Αλλά ένα τόσο απλό σενάριο δεν μπορούσε να εξηγήσει τις περίεργες στροφές στη συχνότητα του πάλσαρ PSR J0337+1715, που ανακάλυψε ο Scott Ransom, αστρονόμος στο Εθνικό Ραδιοαστρονομικό Παρατηρητήριο στο Charlottesville της Βιρτζίνια, και οι συνεργάτες του το 2007 με τον Robert C. Byrd Τηλεσκόπιο Green Bank στη Δυτική Βιρτζίνια. Εκπαιδεύοντας άλλα ραδιοτηλεσκόπια πάνω στο αντικείμενο, ο Ransom και οι συνεργάτες του το κράτησαν υπό σχεδόν συνεχή επιτήρηση για ενάμιση χρόνο. Τελικά, η Anne Archibald, μεταπτυχιακή φοιτήτρια στο Πανεπιστήμιο McGill στο Μόντρεαλ του Καναδά, κατάλαβε τι ακριβώς συμβαίνει.
Το πάλσαρ, που έχει μάζα 1,4 φορές τη μάζα του ήλιου και περιστρέφεται 366 φορές το δευτερόλεπτο, βρίσκεται σε μια σφιχτή τροχιά που διαρκεί 1,6 ημέρες με ένα λευκό νάνο αστέρι μόλις 20% τόσο μάζα όσο ο ήλιος. Ένας δεύτερος λευκός νάνος που ζυγίζει 41% όσο ο ήλιος περιφέρεται γύρω από το εσωτερικό ζεύγος κάθε 327 ημέρες, όπως αναφέρουν ο Ransom και οι συνεργάτες του στο διαδίκτυο σήμερα στο Nature . "Πιστεύουμε ότι δεν υπάρχουν περισσότερα από 100 από αυτά τα [τρία] στον γαλαξία μας", λέει ο Ransom. "Είναι πραγματικά ένα στο δισεκατομμύριο αντικείμενα."
Το ξεχωριστό νέο σύστημα ανοίγει το δρόμο για τη δοκιμή μιας έννοιας πίσω από τη γενική σχετικότητα, γνωστή ως αρχή της ισοδυναμίας, η οποία συσχετίζει δύο διαφορετικές αντιλήψεις για τη μάζα. Η αδρανειακή μάζα ενός αντικειμένου ποσοτικοποιεί τον τρόπο με τον οποίο αντιστέκεται στην ώθηση ή στο τράβηγμα:Είναι πιο εύκολο να ξεκινήσετε ένα καρότσι να κυλά παρά ένα αυτοκίνητο επειδή το καρότσι έχει μικρότερη αδρανειακή μάζα. Η βαρυτική μάζα ενός πράγματος καθορίζει πόσο το έλκει ένα βαρυτικό πεδίο:Μια μπάρα είναι βαρύτερη από ένα φτερό επειδή έχει μεγαλύτερη βαρυτική μάζα.
Η απλούστερη εκδοχή της αρχής της ισοδυναμίας λέει ότι η αδρανειακή μάζα και η βαρυτική μάζα είναι ίσες. Εξηγεί γιατί συνηθισμένα αντικείμενα όπως μπάλες του μπέιζμπολ και τούβλα πέφτουν στη Γη με τον ίδιο ρυθμό ανεξάρτητα από τη μάζα τους—όπως ο μύθος ισχυρίζεται ότι έδειξε ο Γαλιλαίος ρίχνοντας βαρύτερες και ελαφρύτερες μπάλες από τον Πύργο της Πίζας.
Η αρχή της ισχυρής ισοδυναμίας οδηγεί τα πράγματα ένα σημαντικό βήμα παραπέρα. Σύμφωνα με τη διάσημη εξίσωση του Αϊνστάιν, E =mc, η ενέργεια ισούται με μάζα. Έτσι, η μάζα ενός αντικειμένου ή ενός συστήματος μπορεί να δημιουργηθεί από την ενέργεια στα βαρυτικά πεδία μέσα στο ίδιο το σύστημα. Η αρχή της ισχυρής ισοδυναμίας δηλώνει ότι ακόμη και αν συμπεριλάβουμε τη μάζα που δημιουργείται μέσω μιας τέτοιας «αυτοβαρύτητας», η βαρυτική και η αδρανειακή μάζα εξακολουθούν να είναι ίσες. Η αρχή ισχύει στη θεωρία της γενικής σχετικότητας του Αϊνστάιν, αλλά συνήθως δεν ισχύει στις εναλλακτικές θεωρίες, λέει ο Thibault Damour, θεωρητικός φυσικός στο Ινστιτούτο Προηγμένων Επιστημονικών Μελετών στο Bures-sur-Yvette, Γαλλία. Οπότε, το να βάλεις μια καρφίτσα στην αρχή θα αποδείκνυε ότι η γενική σχετικότητα δεν είναι η τελευταία λέξη για τη βαρύτητα.
Οι ερευνητές έχουν ήδη προσπαθήσει να δοκιμάσουν την αρχή της ισχυρής ισοδυναμίας. Από τη δεκαετία του 1970, ορισμένοι έχουν συγκρίνει τον τρόπο με τον οποίο το φεγγάρι και η Γη περιφέρονται στο βαρυτικό πεδίο του ήλιου. Πιο πρόσφατα, άλλοι έχουν αναλύσει την κίνηση των ζευγών πάλσαρ-λευκού νάνου στο βαρυτικό πεδίο του γαλαξία. Αλλά αυτές οι μελέτες ήταν περιορισμένες, λέει ο Damour. Η αυτο-βαρύτητα της Γης αντιπροσωπεύει μόλις το ένα δισεκατομμυριοστό της μάζας της. Σε μελέτες πάλσαρ, η βαρύτητα του γαλαξία είναι πολύ ασθενής. Έτσι, η αρχή της ισχυρής ισοδυναμίας έχει δοκιμαστεί μόνο με ακρίβεια μερών ανά χίλια.
Το νέο σύστημα πάλσαρ ανοίγει το δρόμο για μια πολύ πιο αυστηρή δοκιμή συνδυάζοντας τις δυνάμεις των δύο προηγούμενων μεθόδων. Η αυτο-βαρύτητα του πάλσαρ αντιπροσωπεύει περίπου το 10% της μάζας του, σε αντίθεση με λιγότερο από 0,001% για τον εσωτερικό λευκό νάνο. Ταυτόχρονα, και οι δύο κινούνται στο βαρυτικό πεδίο του εξωτερικού λευκού νάνου, που είναι πολύ ισχυρότερο από το πεδίο του γαλαξία. Παρακολουθώντας την εξέλιξη του συστήματος, ο Ransom και οι συνεργάτες του θα πρέπει να είναι σε θέση να πουν εάν είτε ο εσωτερικός λευκός νάνος είτε το πάλσαρ πέφτουν γρηγορότερα προς τον εξωτερικό λευκό νάνο και να δοκιμάσουν ισχυρή ισοδυναμία περίπου 100 φορές ακριβέστερα από πριν, λέει ο Damour.
Άρα η ισχυρή αρχή της ισοδυναμίας θα βρεθεί ανεπαρκής; "Προτιμώ να περιμένω να έχω ένα καλύτερο όριο" για πιθανές παραβιάσεις, λέει ο Damour. "Αλλά είμαι ανοιχτόμυαλος. Θα ήταν υπέροχο να λάβω μια παράβαση." Ο Freire λέει ότι μια παραβίαση θα ήταν "μια πλήρης επανάσταση".
Οι ερευνητές μπορεί να μην χρειαστεί να περιμένουν πολύ, λέει ο Ransom. Η ομάδα του θα είναι σε θέση να δοκιμάσει την αρχή μέσα σε ένα χρόνο.
