science >> Wetenschap >  >> Astronomie

Astrofysici bevestigen hoeksteen van Einsteins relativiteitstheorie

Artistieke weergave van de pulsar en zijn naaste witte dwerg metgezel met hun banen en de tweede metgezel op de achtergrond. Het systeem is niet op schaal. Krediet:Guillaume Voisin CC BY-SA 4.0

Een internationale samenwerking van wetenschappers heeft de meest nauwkeurige bevestiging tot nu toe vastgelegd voor een van de hoekstenen van Einsteins algemene relativiteitstheorie, 'de universaliteit van de vrije val'.

Het nieuwe onderzoek toont aan dat de theorie geldt voor sterk zelf-graviterende objecten zoals neutronensterren. Met behulp van een radiotelescoop, wetenschappers kunnen heel nauwkeurig het signaal van pulsars waarnemen, een soort neutronenster en test de geldigheid van Einsteins zwaartekrachttheorie voor deze extreme objecten. Vooral, het team analyseerde de signalen van een pulsar genaamd "PSR J0337+1715", opgenomen door de grote radiotelescoop van Nançay, gelegen in het hart van Sologne (Frankrijk).

Het universaliteitsbeginsel van de vrije val stelt dat twee lichamen die in een zwaartekrachtveld zijn gevallen, dezelfde versnelling ondergaan, onafhankelijk van hun samenstelling. Dit werd voor het eerst gedemonstreerd door Galileo, die op beroemde wijze objecten van verschillende massa's vanaf de top van de toren van Pisa zou hebben laten vallen om te verifiëren dat ze allebei tegelijkertijd de grond bereiken.

Dit principe vormt ook de kern van Einsteins algemene relativiteitstheorie. Echter, enkele hints zoals de inconsistentie tussen de kwantummechanica en de algemene relativiteitstheorie, of het raadsel van de overheersing van donkere materie en donkere energie in de samenstelling van het heelal, hebben veel natuurkundigen ertoe gebracht te geloven dat de algemene relativiteitstheorie misschien niet zo is, ten slotte, de ultieme theorie van de zwaartekracht.

De waarnemingen van Pulsar J0337+1715, dat is een neutronenster met een stellaire kern van 1,44 keer de massa van de zon die is ingestort tot een bol met een diameter van slechts 25 km, laat zien dat het om twee witte dwergsterren draait die een veel zwakker zwaartekrachtveld hebben. De bevindingen, vandaag gepubliceerd in het tijdschrift Astronomie en astrofysica , aantonen dat de universaliteit van het principe van de vrije val correct is.

Dr. Guillaume Voisin van de Universiteit van Manchester, die het onderzoek leidde, zei:"De pulsar zendt een bundel radiogolven uit die door de ruimte zwaait. Bij elke bocht creëert dit een flits van radiolicht die met hoge nauwkeurigheid wordt opgenomen door Nançay's radiotelescoop. Terwijl de pulsar in zijn baan beweegt, de aankomsttijd van het licht op aarde wordt verschoven. Het is de nauwkeurige meting en wiskundige modellering, tot op de nanoseconde nauwkeurig, van deze aankomsttijden waarmee wetenschappers met buitengewone precisie de beweging van de ster kunnen afleiden.

"Bovenal, het is de unieke configuratie van dat systeem, verwant aan het aarde-maan-zon-systeem met de aanwezigheid van een tweede metgezel (die de rol van de zon speelt) waarnaar de twee andere sterren 'vallen' (baan) die het mogelijk heeft gemaakt een stellaire versie uit te voeren van Galileo's beroemde experiment uit Pisa's toren. Twee lichamen van verschillende samenstelling vallen met dezelfde versnelling in het zwaartekrachtveld van een derde."

"De pulsar zendt een bundel radiogolven uit die door de ruimte zwaait. Bij elke draai ontstaat er een flits van radiolicht die met hoge nauwkeurigheid wordt opgenomen door Nançay's radiotelescoop. Terwijl de pulsar in zijn baan beweegt, de aankomsttijd van het licht op aarde wordt verschoven. Het is de nauwkeurige meting en wiskundige modellering, tot op de nanoseconde nauwkeurig, van deze aankomsttijden die wetenschappers in staat stellen om met voortreffelijke precisie de beweging van de ster af te leiden, " zegt Dr. Guillaume Voisin.

De metingen werden geregistreerd door een samenwerkend team van de Universiteit van Manchester, Observatorium van Parijs - PSL, de Franse CNRS en LPC2E (Orléans, Frankrijk), en het Max Planck Instituut voor Radioastronomie. De pulsar draait om twee witte dwergsterren, waarvan er één in slechts 1,6 dagen om de pulsar draait op een afstand die ongeveer 10 keer dichter bij de pulsar ligt dan de planeet Mercurius van de zon. Dit binaire systeem, een beetje zoals de aarde en de maan in het zonnestelsel, banen met een derde ster, een witte dwerg van 40% van de massa van de zon, zich iets verder bevindt dan de afstand die het aarde-maansysteem van de zon scheidt.

In het zonnestelsel, het Lunar-laser-afstandsexperiment heeft het mogelijk gemaakt om te verifiëren dat zowel de maan als de aarde identiek worden beïnvloed door het zwaartekrachtveld van de zon, zoals voorspeld door de universaliteit van vrije val (orbitale beweging is een vorm van een vrije val). Echter, het is bekend dat sommige afwijkingen van de universaliteit alleen kunnen optreden voor objecten die sterk zelfaantrekkend zijn, zoals neutronensterren, dat zijn objecten waarvan de massa voor een belangrijk deel bestaat uit hun eigen zwaartekracht dankzij de beroemde Einsteins relatie E=mc2. Het nieuwe pulsar-experiment dat door het team is uitgevoerd, vult de leemte op die is achtergelaten door tests in het zonnestelsel waarbij geen enkel object sterk zelf-graviteert, niet eens de zon.

Het team heeft aangetoond dat het extreme zwaartekrachtveld van de pulsar niet meer dan 1,8 deel per miljoen (met een betrouwbaarheidsniveau van 95%) kan verschillen van de voorspelling van de algemene relativiteitstheorie. Dit resultaat is de meest nauwkeurige bevestiging dat de universaliteit van vrije val geldig is, zelfs in aanwezigheid van een object waarvan de massa grotendeels te wijten is aan zijn eigen zwaartekrachtveld, daarmee de algemene relativiteitstheorie van Einstein verder ondersteunend.

De krant, "Een verbeterde test van het sterke equivalentieprincipe met de pulsar in een drievoudig stersysteem, " door Voisin et al, is gepubliceerd in Astronomie en astrofysica .