Einsteins begrip van zwaartekracht, zoals uiteengezet in zijn algemene relativiteitstheorie, voorspelt dat alle objecten met dezelfde snelheid vallen, ongeacht hun massa of samenstelling. Deze theorie heeft test na test hier op aarde doorstaan, maar geldt het nog steeds voor enkele van de meest massieve en dichte objecten in het bekende universum, een aspect van de natuur dat bekend staat als het Strong Equivalence Principle? Een internationaal team van astronomen heeft deze slepende vraag de strengste test ooit gegeven. Hun bevindingen, gepubliceerd in het tijdschrift Natuur , laten zien dat Einsteins inzichten in zwaartekracht nog steeds gelden, zelfs in een van de meest extreme scenario's die het universum kan bieden.

Haal alle lucht weg, en een hamer en een veer zullen met hetzelfde tempo vallen - een concept dat aan het eind van de 16e eeuw door Galileo werd verkend en op beroemde wijze op de maan werd geïllustreerd door Apollo 15-astronaut David Scott.

Hoewel een fundament van de Newtoniaanse fysica, er was Einsteins zwaartekrachtstheorie voor nodig om uit te drukken hoe en waarom dit zo is. Daten, Einsteins vergelijkingen hebben alle tests doorstaan, van zorgvuldige laboratoriumstudies tot observaties van planeten in ons zonnestelsel. Maar alternatieven voor Einsteins algemene relativiteitstheorie voorspellen dat compacte objecten met extreem sterke zwaartekracht, zoals neutronensterren, vallen een beetje anders dan objecten met een kleinere massa. dat verschil, deze alternatieve theorieën voorspellen, zou te wijten zijn aan de zogenaamde gravitatiebindingsenergie van een compact object - de gravitatie-energie die het bij elkaar houdt.

In 2011, De Green Bank Telescope (GBT) van de National Science Foundation (NSF) ontdekte een natuurlijk laboratorium om deze theorie onder extreme omstandigheden te testen:een drievoudig stersysteem genaamd PSR J0337+1715, gelegen op ongeveer 4, 200 lichtjaar van de aarde. Dit systeem bevat een neutronenster in een baan van 1,6 dagen met een witte dwergster, en het paar in een baan van 327 dagen met een andere witte dwerg verder weg.

"Dit is een uniek sterrenstelsel, " zei Ryan Lynch van het Green Bank Observatory in West Virginia, en co-auteur op het papier. "We kennen geen andere die er zo goed in zijn. Dat maakt het een uniek laboratorium om de theorieën van Einstein op de proef te stellen."

Sinds zijn ontdekking, het drievoudige systeem is regelmatig waargenomen door de GBT, de Westerbork Synthese Radiotelescoop in Nederland, en het Arecibo Observatorium van de NSF in Puerto Rico. De GBT heeft meer dan 400 uur besteed aan het observeren van dit systeem, gegevens nemen en berekenen hoe elk object beweegt ten opzichte van het andere.

Hoe konden deze telescopen dit systeem bestuderen? Deze specifieke neutronenster is eigenlijk een pulsar. Veel pulsars roteren met een consistentie die wedijvert met enkele van de meest nauwkeurige atoomklokken op aarde. "Als een van de meest gevoelige radiotelescopen ter wereld, de GBT is klaar om deze zwakke pulsen van radiogolven op te vangen om extreme fysica te bestuderen, "Zei Lynch. De neutronenster in dit systeem pulseert (roteert) 366 keer per seconde.

"We kunnen elke afzonderlijke puls van de neutronenster verklaren sinds we met onze waarnemingen begonnen, "Zei Anne Archibald van de Universiteit van Amsterdam en het Nederlands Instituut voor Radioastronomie en hoofdauteur van de krant. "We kunnen de locatie tot op een paar honderd meter bepalen. Dat is een heel precies spoor van waar de neutronenster is geweest en waar hij naartoe gaat."

Als de alternatieven voor Einsteins beeld van de zwaartekracht correct waren, dan zouden de neutronenster en de binnenste witte dwerg elk anders naar de buitenste witte dwerg vallen. "De binnenste witte dwerg is niet zo massief of compact als de neutronenster, en heeft dus minder gravitatiebindingsenergie, " zei Scott Ransom, een astronoom bij het National Radio Astronomy Observatory in Charlottesville, Virginia, en co-auteur van het papier.

Door nauwgezette observaties en zorgvuldige berekeningen, het team was in staat om de zwaartekracht van het systeem te testen met alleen de pulsen van de neutronenster. Ze ontdekten dat elk versnellingsverschil tussen de neutronenster en de binnenste witte dwerg te klein is om te detecteren.

"Als er een verschil is, het is niet meer dan drie delen op een miljoen, " zei co-auteur Nina Gusinskaia van de Universiteit van Amsterdam. Dit legt ernstige beperkingen op aan alternatieve theorieën voor de algemene relativiteitstheorie.

Dit resultaat is tien keer nauwkeuriger dan de vorige beste zwaartekrachttest, waardoor het bewijs voor Einstein's Strong Equivalence Principle nog veel sterker is. "We zijn altijd op zoek naar betere metingen op nieuwe plaatsen, dus onze zoektocht om te leren over nieuwe grenzen in ons universum zal doorgaan, ’ concludeerde Ransom.