Einsteins algemene relativiteitstheorie heeft 100 jaar experimenteel onderzoek doorstaan. Echter, deze tests bepalen niet hoe goed de zeer sterke zwaartekrachtsvelden die door samensmeltende neutronensterren worden geproduceerd, aan deze theorie voldoen. Nieuw, meer geavanceerde technieken kunnen nu met ongekende gevoeligheid naar afwijkingen van de algemene relativiteitstheorie zoeken. Wetenschappers van de Max Planck Institutes for Gravitational Physics en for Radio Astronomy bestudeerden twee belangrijkste instrumenten voor het testen van het sterke-veldregime van zwaartekracht – pulsartiming en gravitatiegolfwaarnemingen – en toonden aan hoe het combineren van deze methoden alternatieve theorieën van algemene relativiteitstheorie naar de toets.

Alleen recentelijk, neutronensterren zijn waargenomen door zwaartekrachtgolven. Op 17 augustus, 2017, het LIGO-Virgo-detectornetwerk mat zwaartekrachtgolven van de samensmelting van twee neutronensterren. Deze exotische objecten bestaan ​​uit ongelooflijk dichte materie; een typische neutronenster weegt tot twee keer zoveel als onze zon, maar heeft een diameter van slechts 20 kilometer. Dit jaar markeert het 50-jarig jubileum van de eerste waarneming van neutronensterren, als pulsars. De precieze aard van zulke extreem dichte materie is decennia lang een mysterie gebleven.

De auteurs onderzochten zwaartekrachttheorieën waarin de sterke zwaartekrachtvelden in neutronensterren verschillen van die voorspeld door de algemene relativiteitstheorie. Deze sterke veldafwijking zorgt ervoor dat binaire systemen energie uitstralen en sneller samensmelten dan in de algemene relativiteitstheorie - een gedrag dat zou moeten worden gezien bij waarnemingen van neutronensterren.

"De zwaartekrachtversnelling aan het oppervlak van een neutronenster is ongeveer 2×1011 keer die van de aarde, waardoor ze uitstekende objecten zijn om de algemene relativiteitstheorie en alternatieve theorieën van Einstein in het sterke-veldregime te bestuderen, " legt Dr. Lijing Shao uit, hoofdauteur van de studie. "In een systematisch onderzoek met pulsar-timingtechnologieën, we waren in staat om beperkingen op te leggen aan een klasse van alternatieve zwaartekrachttheorieën die voor het eerst in detail lieten zien hoe ze afhankelijk zijn van de fysica van de extreem dichte materie die ze bevatten." Dit wordt gecodeerd als de "toestandsvergelijking" van neutronensterren, wat toch onzeker.

Shao, die postdoc was aan het Max Planck Institute for Gravitational Physics (Albert Einstein Institute/AEI) toen hij aan het project werkte en de paper schreef, verhuisde in september 2017 naar het Max Planck Institute for Radio Astronomy. Hij en zijn collega's bestudeerden elf mogelijke toestandsvergelijkingen voor vijf binaire pulsarsystemen, elk van hen een combinatie van een neutronenster en een witte dwerg. Ze ontdekten dat de huidige beste beperkingen op gemodificeerde zwaartekracht van binaire pulsars hiaten hebben die zwaartekrachtgolfdetectoren zouden kunnen vullen. "Tijdens de tweede observatieronde hebben LIGO en Virgo al bewezen dat ze gevoelig genoeg zijn om binaire neutronensterren te detecteren, en hun gevoeligheid zal de komende jaren verder verbeteren wanneer de geavanceerde LIGO- en Maagd-configuratie wordt bereikt, " zegt promovendus Noah Sennett, tweede auteur van het artikel. "De LIGO-Virgo-detectoren kunnen binnenkort binaire neutronenstersystemen ontdekken met geschikte massa's die de beperkingen die worden gesteld door binaire-pulsartests voor bepaalde toestandsvergelijkingen kunnen verbeteren en zo de algemene relativiteitstheorie en alternatieve theorieën van Einstein aan een kwalitatief nieuwe test kunnen onderwerpen, " zegt professor Alessandra Buonanno, directeur van de afdeling Astrofysische en Kosmologische Relativiteit van het AEI in Potsdam en co-auteur van het artikel.

Toekomstige zwaartekrachtgolfdetectoren zoals de Einstein Telescope zullen deze tests verder verbeteren en uiteindelijk de kloof in de huidige beperkingen dichten. Complementaire tests van de zwaartekracht in een sterk veld zullen in de nabije toekomst realiteit worden.